Komitet Programowy. Redakcja. Katarzyna Śliwińska

Transkrypt

1

2 Komitet Programowy Andrzej Banachowicz Krzysztof Czaplewski Daniel Duda Andrzej Felski Wiesław Galor Marek Grzegorzewski Lucjan Gucma Jacek Januszewski Zdzisław Kopacz Artur Makar Wacław Morgaś Cezary Specht Andrzej Stateczny Adam Weintrit Redakcja Dariusz Szulc Katarzyna Śliwińska Adres redakcji: Instytut Nawigacji i Hydrografii Morskiej Akademia Marynarki Wojennej ul. Śmidowicza Gdynia Forum nawigacji d.szulc@amw.gdynia.pl tel k.sliwinska@amw.gdynia.pl tel Czasopismo wydawane przez Polskie Forum Nawigacyjne 2

3 F O R U M N A W I G A C J I J E S I E Ń SPIS TREŚCI JUSTYNA CIEŚLAK, DARIUSZ SZULC... 4 SZCZEGÓŁOWA ANALIZA WYBRANYCH CECH SONARU KLEIN 3900 KRZYSZTOF JASKÓLSKI...20 NIEZDATNOŚĆ INFORMACYJNA JAKO CZYNNIK OGRANICZAJĄCY ZASTOSOWANIE SYSTEMU AIS W MANEWROWANIU ANTYKOLIZYJNYM ANDRZEJ FELSKI, KATARZYNA POTRYKUS...29 METODY INTEGRACJI UKŁADÓW INERCJALNYCH Z ODBIORNIKAMI NAWIGACJI SATELITARNEJ WOJCIECH KURYŁO, DARIUSZ SZULC...42 SYSTEMY TELEDETEKCJI POJAZDU PODWODNEGO BUDOWANEGO NA BAZIE TORPEDY SET 53 KATARZYNA KUC, DARIUSZ SZULC...58 WPŁYW ZNIEKSZTAŁCEŃ W OBRAZACH SONAROWYCH NA ODZWIERCIEDLENIE WYBRANYCH CECH OBIEKTÓW PODWODNYCH 3

4 Justyna Cieślak, Dariusz Szulc F O R U M N A W I G A C J I J E S I E Ń Szczegółowa analiza wybranych cech sonaru KLEIN 3900 W artykule oceniono przydatność do prac hydrograficznych sonaru KLEIN W tym celu przeprowadzono analizę poszczególnych parametrów pracy sonaru. Ponadto przybliżono zasadę działania sonaru, przedstawiono sonarowe prezentacje dna i obiektów dennych oraz ich interpretację. WPROWADZENIE Do wykonywania badań za pomocą sonaru wykorzystuje się różnorodne metody i rozwiązania techniczne, wśród których największym zainteresowaniem, z uwagi na skuteczność działania, cieszy się technologia Side Scan Sonar. Metoda ta stosowana jest zazwyczaj podczas typowego sondażu batymetrycznego z wykorzystaniem systemów echosond jedno- lub wielowiązkowych [20]. Technologia ta występuje w wersji kadłubowej (hull-mounted SSS) lub holowanej (towed SSS). Klein Associates oferuje między innymi sonary tzw. wysokiej rozdzielczości cyfrowej (extremely high resolution digital sonar) serii Jednym z sonarów z serii 3000 jest model To jednowiązkowy sonar boczny przeznaczony do zastosowań hydrograficznych, z ukierunkowaniem na generowanie wysokiej rozdzielczości obrazów dna, przeszkód dennych, wraków. Sonar ten, operując z prędkością dochodzącą do 10 węzłów, zachowuje warunek całkowitego przykrycia dna w pasie o szerokości 300 m (455 khz) lub 100m (900 khz). Podstawowe elementy systemu sonarowego to: urządzenie rejestrujące (TPU); urządzenie sonarowe z przetwornikami; komputer typu laptop; kabel holujący urządzenie sonarowe i przesyłający dane do TPU(rys.1). 4

5 Szczegółowa analiza wybranych cech sonaru KLEIN 3900 Rys.1. System sonarowy KLEIN 3900 Zasada pracy sonaru polega na pomiarze czasu od momentu wysłania impulsu do momentu odebrania sygnału odbitego od dna (wraku) oraz rejestracji amplitudy odebranych impulsów. Linie na ekranie lub papierze elektroczułym powstają w wyniku graficznego przedstawienia ech impulsu nadawczego. Projekcja wielu kolejnych linii tworzy obraz dna morskiego i obiektów na nim leżących, jak również tych obiektów zanurzonych w wodzie, które znalazły się w obszarze wiązki promieniowania. W trakcie prowadzenia badań przez jednostkę pomiarową, przemieszczając się po wybranym profilu, sonar boczny przeszukuje pas dna równy dwukrotnemu zakresowi pracy ustawionemu przez operatora. Natężenie powracających do przetwornika sygnałów zależy w głównej mierze od zróżnicowania i budowy dna morskiego. Obiekty podwodne o dobrych właściwościach akustycznych, takie jak skały, obiekty metalowe, drobne zmarszczki piaskowe będą źródłem wyraźnych ech na zarejestrowanych obrazach sonarowych (sonogramach). Intensywność zapisu akustycznych obrazów dna jest ponadto funkcją fizycznego kształtu elementarnych cząstek materiałów oraz kąta nachylenia powierzchni opromieniowanych wiązką sonarową. Współczesne modele sonarów bocznych, a wśród nich między innymi sonar Klein 3900, korzystają już z technologii cyfrowego przetwarzania sygnału DSP (Digital Signal Processing). Cyfrowe procesory sygnałowe pozwalają na przetwarzanie sygnałów w czasie rzeczywistym już w samym holowanym nośniku typu towfish. Dzięki temu do rejestratora i komputera na pokładzie jednostki pomiarowej płynie pełna informacja cyfrowa bez żadnych strat transmisyjnych. Pozwala to na stosowanie dość długich kabli holujących przekraczających czasami 1000m długości. 5

6 Justyna Cieślak, Dariusz Szulc INTERPRETACJA OBRAZÓW SONAROWYCH Prawidłowa interpretacja obrazów sonarowych wymaga wielu tygodni spędzonych na morzu. Nie oznacza to, że bez doświadczenia nie można interpretować obrazów sonarowych. Łatwo jest rozpoznać na obrazie wrak lub zanieczyszczenie dna, trudniej określić jego szczegółowe cechy. Warto wtedy korzystać z wydawnictw omawiających typowe sonogramy oraz pokazujących przykłady obrazów rzadko spotykanych, nietypowych lub trudnych do interpretacji. Przykładem takiego wydawnictwa może być choćby poradnik dla operatora sonaru Sztuka interpretowania obrazów sonarowych pod redakcją Benedykta Haca lub zagraniczna publikacja Sound Underwater Images Johna Perry ego Fish a. Impulsy wygenerowane w przetwornikach zamontowanych w holowanej części sonaru rozchodzą się w wodzie aż do naturalnego ich rozpraszania w wyniku tłumienia ośrodka albo do odbicia się od przeszkody- dna morskiego albo obiektu na dnie lub w toni wodnej. Część energii ulega rozproszeniu, część powraca do przetwornika tworząc tzw. echo. Można przyjąć, że czas od wysłania impulsu do odebrania echa jest wprost proporcjonalny do odległości przetwornika od przeszkody, od której sygnał został odbity. Oprócz tego rejestrowana jest amplituda odebranych impulsów. Natężenie sygnału zależy między innymi od takich czynników jak budowa i zróżnicowanie dna morskiego oraz właściwości akustyczne, kształt i kąt nachylenia powierzchni przeszkód podwodnych i obiektów względem padającej na nie wiązki. Nadanie impulsu hydroakustycznego stanowi czas początkowy (zerowy) dla procesu formowania obrazu sonarowego. Sonar mierzy i wyświetla odległości obiektów (wraków, głazów, kotwic) od przetwornika, który jest punktem odniesienia przy określaniu ich pozycji. Impuls nadawczy to bardzo silny sygnał generujący na sonogramie ciągłą linię (linia zerowa). Następnie wyróżniamy przedział czasu, podczas którego impuls rozprzestrzenia się w kolumnie wody, co oznacza, że żadne echo nie powraca do układu odbiorczego. Ten przedział czasu będzie zobrazowany w postaci białej strefy po obu stronach linii zerowej. W zależności od tego gdzie w kolumnie wody znajduje się sonar, pierwsze echo może być odbiciem od dna bezpośrednio pod sonarem lub odbiciem od powierzchni wody. Wiązka sonarowa, dzięki swojemu kształtowi i charakterystyce kierunkowości, dociera do powierzchni wody oraz pod kątem w dół do dna. Gdy sonar znajduje się bliżej powierzchni morza ciągła linia równoległa do linii zerowej jest niczym innym jak odbiciem od powierzchni wody. Następnie dochodzi echo odbite od dna (linia dna), po którym docierają kolejne odbicia wyświetlane z odpowiednią intensywnością na odległości odpowiadającej czasowi przebiegu sygnału. Warto zauważyć, iż są to odległości skośne (slant ranges) i nie reprezentują rzeczywistych odległości horyzontalnych. 6

7 Szczegółowa analiza wybranych cech sonaru KLEIN Rys. 2. Charakterystyczne echa na sonogramie. Sygnał nadawczy (1), pierwsze odbicie od dna (2), strefa martwa sonaru (3), echa obiektów na dnie (4) [sonogram ze zbiorów ORP Arctowski]. Obiekty wystające powyżej płaszczyzny dna uniemożliwiają fali akustycznej dotarcie do strefy bezpośrednio za danym obiektem, powodując jednocześnie tworzenie się cienia akustycznego. Szczegółowa analiza kształtów cieni pomocna jest w określaniu fizycznego stanu obiektu. To dzięki cieniom możliwe jest oszacowanie wysokości obiektu nad dnem. Okazuje się jednak, że uzyskana wartość nie jest wystarczająco dokładna dla potrzeb kartograficznych. Podczas określania wysokości obiektu (głębokości minimalnej) należy mieć świadomość, że jego niektóre elementy konstrukcyjne znacznie przewyższające pokład nadbudówek (maszty, wytyki, anteny) mogą nie wytworzyć cieni hydroakustycznych. Interpretując sonogram należy pamiętać, że długość cienia akustycznego jest funkcją kąta padania wiązki z sonaru. Ten sam obiekt dający wyraźny cień, może rzucać cień o innych rozmiarach i kształcie, jeżeli impulsy padną na niego pod innym kątem. Cienie akustyczne są jednak podstawą do określania fizycznych cech obiektu. 7

8 Justyna Cieślak, Dariusz Szulc Rys. 3. Szacowanie wysokości obiektu nad dnem. Ogólna zasadę określania wysokości obiektu na dnie morza opisuje prosta zależność: H t H t f L s R L s, (2) gdzie: H t wysokość obiektu podwodnego [m], H f wysokość holowania sonaru nad dnem [m], L s długość cienia akustycznego [m], R s odległość nachylona do obiektu (punktu rzucającego najdłuższy cień) [m][2]. SZCZEGÓŁOWA ANALIZA WYBRANYCH CECH SONARU KLEIN 3900 Zasadą obowiązująca przy doborze zasięgu pracy sonaru jest stopniowe zmniejszanie go w celu zwiększenia rozdzielczości uzyskiwanych obrazów. Wybór optymalnego zakresu operacyjnego będzie zależał od głębokości akwenu oraz wielkości obiektu podwodnego. Podstawowym problemem wpływającym na jakość obrazów sonarowych (mozaik) jest zależność rozdzielczości i zasięgu pracy sonaru od jego częstotliwości pracy (Tabela 1) 8

9 Szczegółowa analiza wybranych cech sonaru KLEIN 3900 Tabela 1. Zależność zasięgu od częstotliwości pracy sonaru [30]. Częstotliwość pracy sonaru [khz] Rozdzielczość [cm] ,5 9,7 7,8 3,9 Maksymalny zasięg [m] Zależność ta wynika z podstawowych praw fizyki związanych z propagacją fali hydroakustycznej w środowisku wodnym. W celu zwiększenia zasięgu sonaru obniżamy jego częstotliwość oraz zwiększamy emitowaną moc wyjściową. Zastosowanie dużego zasięgu sonaru wpływa korzystnie na efektywność jego wykorzystania podczas wykonywania prac hydrograficznych. Efektem ubocznym tego rozwiązania jest większy kąt rozchylenia wiązki sonarowej, co wpływa na rozdzielczość obrazu w funkcji odległości od przetwornika. Takie ustawienie sonaru może zostać wykorzystane jedynie do poszukiwania dużych obiektów podwodnych np.: wraków. Przy zastosowaniu sonarów wysokoczęstotliwościowych, pracujących w zakresie częstotliwości (od 600 khz do 1200 khz) zasięg sonaru spada do kilkudziesięciu metrów. Plusem tego rozwiązania jest wzrost rozdzielczości nawet do rzędu centymetrów, w wyniku którego uzyskujemy bardzo szczegółową mozaikę obrazu sonarowego. W przypadku systemu sonarowego Klein 3900 mamy do dyspozycji wybór dwóch częstotliwości 450 khz i 900kHz, co daje nam odpowiednio maksymalny zasięg pracy sonaru ponad 100 i 40 m. Skupiając się jedynie na zasięgu pracy sonaru poniżej przedstawiono serię sonogramów pokazujących prace sonaru na różnych zasięgach: 100, 60, 40, 30, 10 metrów. Jak widać na dwóch pierwszych sonogramach zmiana zasięgu pracy sonaru ze 100 na 60 m, przy zachowaniu tej samej wysokości sonaru nad dnem spowodowała znaczne zbliżenie obiektu. To samo można zaobserwować na trzech pozostałych sonogramach wykonanych poprzez holowanie sonaru przy burcie jednostki, czyli nadal zachowując ta samą wysokość sonaru nad dnem. Zmniejszając zasięg pracy sonaru powinniśmy operować również częstotliwością jego pracy poprzez zwiększanie jej aby uzyskać na tyle szczegółowy obraz by móc określić dokładne i szczegółowe cechy obiektu leżącego na dnie. Określenie ich pomocne jest w późniejszej weryfikacji obiektów dennych. 9

10 Justyna Cieślak, Dariusz Szulc Rys. 6. Sonogram wraku leżącego na dnie. Zasięg pracy sonaru 100m wysokość sonaru nad dnem 18 m [sonogram ze zbiorów ORP Arctowski]. Rys. 7. Sonogram wraku leżącego na dnie. Zasięg pracy sonaru 60m wysokość sonaru nad dnem 18 m [sonogram ze zbiorów ORP Arctowski]. 10

11 Szczegółowa analiza wybranych cech sonaru KLEIN 3900 Rys. 8. Sonogram wraku leżącego na dnie. Zasięg pracy sonaru 40m, sonar holowany przy burcie jednostki [sonogram ze zbiorów dzh]. Rys. 9. Sonogram wraku leżącego na dnie. Zasięg pracy sonaru 30m, sonar holowany przy burcie jednostki[sonogram ze zbiorów dzh]. 11

12 Justyna Cieślak, Dariusz Szulc Rys. 10. Sonogram wraku leżącego na dnie. Zasięg pracy sonaru 10m, sonar holowany przy burcie jednostki [sonogram ze zbiorów dzh]. Często dzieje się tak, że jakość danych sonarowych jest funkcją wysokości holowania sonaru. Według standardów określanych przez IHO sonar powinien być holowany na wysokości stanowiącej 10%- 20% zasięgu sonaru. Zbyt wysokie holowanie powoduje skrócenie cieni akustycznych, natomiast zbyt niskie spowoduje zmniejszenie efektywnego zasięgu sonaru. Jednakże istnieją pewne odstępstwa od tych reguł i występują w przypadku gdy hydrograf ma do czynienia z płytkimi wodami lub też gdy wysokość wraku przewyższa wysokość holowania sonaru nad dnem. Wówczas należy, poza podniesieniem wyżej sonaru, zmniejszyć zakres pracy i odstęp między profilami. Na sonogramach poniżej przedstawiono jak zmienia się obraz w przypadku zmniejszania wysokości holowania sonaru nad dnem. Jak widać strefa martwa sonaru ulega znacznemu zmniejszeniu a sam wrak dzięki zbliżeniu jest lepiej widoczny, co pozwala na określenie jego wybranych cech. Pozostawiając wysokość sonaru na stałym pułapie można manipulować zasięgiem pracy. Jak przedstawia trzeci sonogram zmniejszenie zasięgu spowodowało zbliżenie wraku. Rys. 11. Sonogram wraku leżącego na dnie. Zasięg pracy sonaru 100m wysokość holowania sonaru nad dnem 40m [sonogram ze zbiorów ORP Arctowski]. 12

13 Szczegółowa analiza wybranych cech sonaru KLEIN 3900 Rys. 12. Sonogram wraku leżącego na dnie. Zasięg pracy sonaru 100m wysokość holowania sonaru nad dnem 18m [sonogram ze zbiorów ORP Arctowski]. Rys.13. Sonogram wraku leżącego na dnie. Zasięg pracy sonaru 60m wysokość holowania sonaru nad dnem 18m [sonogram ze zbiorów ORP Arctowski]. Poniżej przedstawiono dwa sonogramy. Pierwszy z nich ze źle dobraną wysokością holowania 56 metrów przy 100 metrowym zasięgu pracy. Stanowi to 56% zasięgu. Strefa martwa stanowi niemal połowę całego sonogramu. Zwiększenie zasięgu pracy lub opuszczenie sonaru na pewno poprawiłoby ten obraz. Ponadto widać na sonogramie ślad torowy jednostki, co może świadczyć o tym, że sonar był wtedy wynurzany lub holowany stosunkowo blisko powierzchni wody. Drugi sonogram z bardzo dobrze dobraną wysokością holowania 6 metrów przy zasięgu 50 metrów, co stanowi 12% zasięgu. 13

14 Justyna Cieślak, Dariusz Szulc Rys. 14. Sonogram wraku leżącego na dnie. Zasięg pracy sonaru 100m wysokość holowania sonaru nad dnem 56m [sonogram ze zbiorów ORP Arctowski]. Rys. 15. Sonogram wraku leżącego na dnie. Zasięg pracy sonaru 50m wysokość holowania sonaru nad dnem 6m [sonogram ze zbiorów ORP Arctowski]. Tak jak wszystkie parametry pracy sonaru częstotliwość dobierana jest według określonych zasad. W badaniach rozpoznawczych danego akwenu używa się niskich częstotliwości. Celem tych badań jest zazwyczaj poznanie ogólnej charakterystyki dna, wykonanie elementarnych pomiarów czy zlokalizowanie obiektów. Niska częstotliwość jest mniej podatna na zakłócenia, dlatego też stosowana jest w niesprzyjających warunkach pogodowych. Natomiast w badaniach szczegółowych dna i obiektów podwodnych stosuje się wysoką częstotliwość i krótkie zasięgi sonaru. Na sonogramach poniżej przedstawiono obrazy różnych wraków wykonane z wykorzystaniem niskiej i wysokiej częstotliwości, nietrudno dostrzec różnice w jakości obrazu i jego szczegółowości. Co ważne niskie częstotliwości pozwalają określić rodzaj dna. 14

15 Szczegółowa analiza wybranych cech sonaru KLEIN 3900 Rys. 16. Sonogram wraku leżącego na dnie z wykorzystaniem niskiej częstotliwości sonaru Klein khz [sonogram ze zbiorów ORP Arctowski]. Rys. 17. Sonogram wraku leżącego na dnie z wykorzystaniem niskiej częstotliwości sonaru Klein khz [sonogram ze zbiorów dzh i ORP Arctowski]. Projektując sonar zmuszeni jesteśmy do dokonania kompromisowego wyboru pomiędzy rozróżnialnością a długością impulsu. Krotki impuls to dobra rozróżnialność, długi impuls to węższa wiązka i większa odporność na szumy środowiska, ale mniejsza rozróżnialność. Rozprzestrzeniający się w wodzie impuls posiada określone znane cechy geometryczne zależne od charakterystyki przetwornika, prędkości dźwięku w wodzie oraz czasu trwania impulsu. W czasie kiedy tylna część impulsu opuszcza przetwornik, czoło impulsu przebyło już drogę równa iloczynowi czasu trwania impulsu i prędkości dźwięku w wodzie: gdzie: L i=t i*v c, (1) 15

16 Justyna Cieślak, Dariusz Szulc L i- długość impulsu [m], T i- czas trwania impulsu [ms], V c- prędkość dźwięku w wodzie [m/s]. Podsumowując, rozchodzący się w wodzie impuls zajmuje pewną objętość. Z tego powodu, każdy sonar cechuje się określoną rozróżnialnością w odległości i kierunku. Jak widać na sonogramach przedstawionych poniżej lepszą rozróżnialność uzyskuje się w przypadku wykorzystania krótkiego impulsu o czasie trwanie 25 μs. Zarówno w przypadku sonogramów morfologii dna jak i obiektów podwodnych nawet niewprawne oko jest w stanie dostrzec różnice. W przypadku sonogramów morfologii dna obraz generowany z wykorzystaniem krótkiego impulsu cechuje się większa szczegółowością elementów. Również na sonogramach obiektów dennych nawet niewielka zmiana czasu trwania impulsu z 25 na 50 μs wpływa znacznie na obniżenie jakości obrazu i jego rozdzielczości. Obrazy otrzymywane za pomocą dłuższego niż 25 μs impulsu są mniej wyraźne i trudno dostrzec na nich elementy mogące pomóc w klasyfikacji obiektu. Rys. 18. Sonogram morfologii dna, czas trwania impulsu sondującego 25μs [sonogram ze zbiorów ORP Arctowski]. 16

17 Szczegółowa analiza wybranych cech sonaru KLEIN 3900 Rys. 19. Sonogram morfologii dna, czas trwania impulsu sondującego 200 μs [sonogram ze zbiorów ORP Arctowski]. Rys. 20. Sonogram obiektu dennego, czas trwania impulsu sondującego 25 μs [sonogram ze zbiorów ORP Arctowski]. Rys. 21. Sonogram obiektu dennego, czas trwania impulsu sondującego 50 μs [sonogram ze zbiorów ORP Arctowski]. WNIOSKI System sonarowy Klein 3900 dzięki zastosowaniu wysokiej częstotliwości 900 khz daje bardzo dokładny obraz dna, obiektów dennych i wraków. Nie tylko częstotliwość jest składową dobrej jakości obrazów. Wpływa na nie również dobrze dobrany zasięg pracy i długość impulsu. Zastosowanie krótszych impulsów pozwoliło uzyskać obrazy o lepszej rozróżnialności. Zmniejszenie zasięgu wpływa zaś na powiększenie obiektu bez konieczności obniżania wysokości holowania sonaru nad dnem. Pozwala to na wzrost rozdzielczości nawet do rzędu centymetrów i uzyskanie bardzo szczegółowych sonogramów. Jakość danych sonarowych jest funkcją wysokości holowania sonaru nad dnem. Zbyt wysokie holowanie powoduje skrócenie cieni akustycznych, natomiast zbyt niskie spowo- 17

18 Justyna Cieślak, Dariusz Szulc duje zmniejszenie efektywnego zasięgu sonaru. W przypadku systemu Klein 3900 należy więc stosować zasadę zgodną z instrukcjami i za wysokość holowania nad dnem przyjmować wartość 10%- 20% zasięgu pracy sonaru. Instrukcja sonaru podaje, że prędkość holowania 2-10 węzłów zapewni warunek całkowitego przykrycia dna. Wartość podana przez konstruktorów sonaru ściśle zależy jednak od warunków hydro-meteorologicznych występujących w akwenie w którym wykonywane są pomiary. Instrukcje pracy z tego typu sprzętem, dla uzyskania optymalnego obrazu sonarowego, przewidują prędkości rzędu 2-5 węzłów. Jest ona zależna również od rodzaju wykrytego obiektu. System sonarowy Klein 3900 nie posiada sobie równych w jakości uzyskiwanego obrazu, wśród sonarów wykorzystywanych w Marynarce Wojennej RP. Szczegółowość zobrazowania pozwala na dokładną weryfikacje obiektów leżących na dnie. LITERATURA [1] PDNO-06-A072:2009, Hydrografia morska. Zasady prowadzenia badań. [2] PDNO-06-A073:2009, Hydrografia morska. Zasady gromadzenia danych i przedstawianie wyników. [3] Grządziel. A. Geometria sonaru bocznego klucz do zrozumienia i interpretacji obrazów sonarowych. Przegląd Morski, 7 8:14 28, [4] Grządziel. A. Metodyka wykonywania badan hydrograficznych przeszkód podwodnych. Przegląd Morski, 7-8:27-42, [5] Grządziel. A. Nowe odkrycia na dnie Bałtyku. Przegląd Morski, 8:20-28, [6] Grządziel. A. Technika sonaru bocznego w badaniach hydrograficznych. Przegląd Hydrograficzny, 4:79 85, [7] Grządziel. A. Side Scan Sonar (SSS)-Metoda poszukiwania i wykrywania obiektów podwodnych, Przegląd Morski 1:48-63, 2004 [8] Kaberow.R, Szatan.M. Mozaikowanie obrazów sonarowych. Przegląd Hydrograficzny, 4:67 68, [9] Mazel. Ch. Side Scan Sonar Training manual, Klein Associates, Inc., Salem, H.H, s.2-9, [10] L-3 Klein Associates, Inc., [dostęp ], dostępne w Internecie: 18

19 Szczegółowa analiza wybranych cech sonaru KLEIN 3900 ANALYSYS OF SELECTED ATRIBUTES OF SONAR KLEIN 3900 IN DETAIL The paper evaluates usability of sonar KLEIN 3900 for the hydrographic works. For this purpose carried out analysis of particular altitudes. Moreover paper presents sonar principle of operations, bottom and bottom objects presentations and their interpretation. 19

20 F O R U M N A W I G A C J I J E S I E Ń 2010 Krzysztof Jaskólski NIEZDATNOŚĆ INFORMACYJNA JAKO CZYNNIK OGRANICZAJĄCY ZASTOSOWANIE SYSTEMU AIS W MANEWROWANIU ANTYKOLIZYJNYM Powszechność stosowania urządzeń AIS na pokładach statków objętych Konwencją SOLAS stwarza warunki do wykorzystania informacji dynamicznej systemu w sytuacji ryzyka zderzenia. Raport pozycyjny AIS stanowi źródło uzupełnienia informacji pochodzącej z zobrazowania radarowego obarczonego pewnym błędem pomiarowym. Jednakże po przeprowadzeniu wielu badań pojawiają się opinie o niekompletności informacji dynamicznej AIS, szczególnie istotnej w procesach podejmowania decyzji przez oficera wachtowego, w sytuacjach ryzyka kolizji. Uwzględniając własne rejestracje z badań pilotażowych oraz specyfikację techniczną AIS, przedstawiono wyniki badań niekompletności informacji na temat kursu rzeczywistego (Heading) i prędkości kątowej zwrotu (Rate of turn) jako elementów cechujących się największą niezdatnością informacyjną, a w istocie mającą szczególe znaczenie w manewrowaniu antykolizyjnym. WSTĘP Zgodnie z V prawidłem wymijania MPZZM [Rymarz W., 1998] Każdy statek powinien stale prowadzić właściwą obserwację wzrokową i słuchową, jak i za pomocą wszystkich dostępnych środków w istniejących okolicznościach i warunkach odpowiednich do pełnej oceny sytuacji i ryzyka zderzenia. Skuteczna obserwacja powinna zapewnić nie tylko wczesne wykrycie innych statków. Istotnym zagadnieniem jest również ocena parametrów ruchu statków i przewidywanie rozwoju sytuacji. Jednym ze skutecznych przedsięwzięć jest obserwacja radarowa we wszelkich warunkach widzialności, m.in. w sytuacjach, gdy statek nawigujew akwenie o dużej intensywności ruchu w nocy. Jednakże wiadomo o istnieniu ograniczeń skuteczności pracy radarów i ARPA. Dla przykładu detekcja małych obiektów jest ograniczona poprzez zakłócenia od fal morskich (sea clutter) i niekorzystne warunki atmosferyczne (deszcz, śnieg), a także pracę nadajników radiowych pracujących zbliżonej częstotliwości. Charakterystycznym zjawiskiem jest występowanie strefy martwej (minimalny zasięg wykrycia radaru), zjawisko cienia radarowego (pochodzące od konstrukcji masztu) oraz zjawisko refrakcji. W urządzeniach ARPA automatyczne 20

21 Niezdatność informacyjna jako czynnik ograniczający zastosowanie śledzenie obiektów może zostać utracone na przykład w wyniku gwałtownych manewrów śledzonej jednostki lub mijania się jednostek w niewielkiej odległości. Informacja pochodząca z zobrazowania radarowego w biegunowym układzie współrzędnych obarczona jest pewnym błędem pomiarowym. Błąd namiaru (NR) przekracza 1 0, a błąd pomiaru odległości to w przybliżeniu 1% odległości [Wąż M., 2005]. Powyższe fakty dają podstawy do sformułowania tezy, iż zasadnym może być uzupełnianie informacji radarowej informacją pochodzącą z systemu działającego w sposób automatyczny i ciągły z dokładnością informacji większą niż informacja radarowa, porównywalną do DGPS. Takim systemem wydaje się być AIS, który można zaliczyć do systemów radionawigacyjnych, wykorzystujących fale radiowe do transmisji danych na temat parametrów ruchu statków. JAKOŚĆ INFOMRACJI AIS Do obrazowania na wskaźnikach radarowych informacji AIS na temat ruchu obiektów znajdujących się w obszarze działania systemu służą elementy Raportu pozycyjnego zawierającego się w wiadomościach nr 1, 2 i 3 AIS, a mianowicie: - SOG, prędkość względem dna; - ROT, prędkość kątowa zwrotu; - HDG, kurs rzeczywisty; - pozycja geograficzna. - time stamp, znacznik czasu Informacja dynamiczna systemu znalazła zastosowanie w obliczeniach wykonywanych przez multiagentowy system wspomagania nawigacyjnego procesu decyzyjnego (MADSS Multi-agents Decision Support System) opisany w [Banachowicz A, Wołejsza P, 2008]. System ten na podstawie komunikatów odebranych z systemu AIS oblicza parametry spotkania statków oraz wypracowuje nowe parametry ruchu statku własnego (kurs, prędkość), które prowadzą do rozminięcia z innymi obiektami na zadane CPA (Closest Point of Approach). Jednakże z coraz powszechniejszym stosowaniem AIS pojawiają się opinie o niedoskonałości systemu związanej z brakiem transmisji lub przekazywaniem niewiarygodnych informacji. Publikowane analizy na temat niekompletności i wiarygodności informacji systemu dotyczą przeważnie wiadomości nr 5, to jest informacji statycznej i dotyczącej podróży. Temat ten podejmowali między innymi [Harati-Mokhtari A. et all, 2007a] ale także [Bailey N., 2005], [Drozd W., i inni, 2007], [Harati-Mokhtari A. et all, 2007b], [Hori A., et all, 2009]. Natomiast wydaje się, że nie opublikowano dotychczas informacji na temat jakości informacji dyna- 21

22 Krzysztof Jaskólski micznej, a w szczególności tej, której analiza jest istotna w manewrowaniu antykolizyjnym. W związku z powyższym przeprowadzono badania pilotażowe określające na ile informacja transmitowana przez AIS, a pochodząca z sensorów statkowych jest kompletna. BADANIE PILOTAŻOWE NIEKOMPLETNOŚCI INFORMACJI DYNAMICZNEJ AIS Kompletność wiadomości badano na podstawie analizy treści komunikatów AIVDM zawierających numer wiadomości 1, 2 i 3. Dane poddane analizie pochodzą z akwenu Zatoki Gdańskiej i zawierają zapis informacji AIS z mnemonikiem AIVDM w okresie od , g.0000 do , g Wyniki badania przedstawiono na rysunku nr 1. Kolorem ciemnoszarym przedstawiono odsetek komunikatów zawierających niekompletną informację, zaś jasnoszarym odsetek statków odpowiedzialnych za ten stan. Badanie informacji AIS przeprowadzono na podstawie komunikatów zarejestrowanych w plikach tekstowych zawierających komunikaty odebrane za pośrednictwem AIS o statkach znajdujących się w rejonie Zatoki Gdańskiej w przedziale jednej doby. Wstępna analiza wyników badań pozwala wnioskować, iż najwyższym wskaźnikiem niezdatności cechuje się informacja na temat prędkości zwrotu ROT. Niekompletność komunikatów kształtuje się na poziomie 23%. Komunikaty te zostały przesłane łącznie przez niemal 24% statków. Dodatkowo na uwagę zasługuje niekompletność informacji na temat kursu rzeczywistego True Heading, która kształtuje się na poziomie 16%, co zaobserwowano wśród 19% statków. W związku z powyższym istnieją przesłanki do przeprowadzenia szczegółowych badań na temat niekompletności informacji kursu rzczywistego i prędkości zwrotu. 22

23 Niezdatność informacyjna jako czynnik ograniczający zastosowanie Niekompletność informacji AIS NAV. STAT LON. LAT. SOG COG. T. MMS ROT IMO CALL HDG. I SIGN S. NAM E S. TYPE Rys. 1. Wyniki badań pilotażowych niekompletności informacji AIS [opracowanie własne] BADANIE NIEKOMPLETNOŚCI WYBRANYCH ELEMENTÓW INFORMACJI DYNAMICZEJ AIS M.D RA. S.DE ST. wiersze 4,88% 2,59% 2,59% 2,67% 2,60% 16,00 23,07 0,00% 3,66% 2,22% 0,27% 4,23% 3,47% 4,86% statki 3,05% 6,37% 6,37% 7,76% 7,48% 19,11 23,82 0,34% 4,38% 1,35% 0,67% 4,04% 2,69% 7,07% Na postawie specyfikacji AIS zestawienie zakresu poprawnych danych dla poszczególnych wielkości oraz wartości sygnalizujących niekompletność danych przedstawiono w tabeli 1. Tab. 1. Zestawienie zakresów poprawnych i niepoprawnych danych w depeszy nr 1 Rodzaj informacji TRUE HEADING Kurs rzeczywisty RATE OF TURN Prędkośd zwrotu Wartośd poprawna niekompletna Informacja [0, 359] 511 (149 hex) ± (80 hex) W świetle powyższych założeń przeprowadzono szczegółowe badania informacji dynamicznej w oparciu o zebrane dane AIS na temat ruchu jednostek na akwenie Zatoki Gdańskiej w wymiarze szerszym niż przedstawione na rys. 1. Pod uwagę wzięto informacje na temat kursu rzeczywistego i prędkości zwrotu, które to charakteryzowała największa niezdatność informacyjna w badaniach pilotażowych. Dane poddane analizie zawierają zapis informacji AIS z mnemonikiem AIVDM wybranych 22 dni. Wyniki badań przedstawiono w tabeli. 23

24 Krzysztof Jaskólski Tabela 2. Zestawienie wyników badań niezdatności informacyjnej True heading i Rate of turn [opracowanie własne] TRUE HEADING [%] RATE OF TURN [%] Niekompletnośd Niezdatnośd (wiersze (statki) depeszy) Niekompletnośd (wiersze depeszy) Niezdatnośd (statki) Data ,40 20,73 26,21 24, ,68 22,83 24,58 26, ,57 20,00 22,97 22, ,25 18,95 21,78 22, ,96 19,81 24,90 25, ,65 21,50 25,69 25, ,85 18,41 24,91 21, ,27 19,11 22,75 23, ,00 17,65 23,07 23, ,81 24,27 26,98 31, ,60 21,16 31,53 30, ,45 22,26 32,70 29, ,92 20,33 30,37 28, ,71 20,78 24,80 27, ,37 26,67 21,83 30, ,93 25,77 21,99 21, ,42 25,26 20,59 26, ,62 24,47 16,81 27, ,61 20,43 19,92 25, ,21 20,45 24,97 23, ,75 24,18 27,61 30, ,94 23,26 26,45 27,91 24

25 Niezdatność informacyjna jako czynnik ograniczający zastosowanie Rysunek 2 przedstawia zestawienie wyników badań niezdatności informacyjnej AIS z uwzględnieniem niekompletności parametru Rate of turn. Kolorem ciemnoszarym przedstawiono odsetek komunikatów zawierających niekompletną informację na temat Rate of Turn, zaś jasnoszarym odsetek statków odpowiadających za ten stan. niezdatność informacyjna Rate of Turn [%] wiersze depeszy statki Rys. 2. Wyniki niezdatności informacyjnej Rate of turn systemu AIS [opracowanie własne] Rysunek 3 przedstawia zestawienie wyników badań niezdatności informacyjnej AIS z uwzględnieniem niekompletności parametru True Heading. Kolorem ciemnoszarym ponownie przedstawiono odsetek niekompletnych komunikatów, zaś jasnoszarym odsetek transmitujących je statków. niezdatność informacyjna True Heading [%] wiersze depeszy statki Rys. 3. Wyniki niezdatności informacyjnej True heading systemu AIS [opracowanie własne] 25

26 Krzysztof Jaskólski Analiza wyników badań została przedstawiona w tabeli poniżej. Tab. 3. Analiza wyników badao niekompletnej informacji AIS TRUE HEADING RATE OF TURN STA STA WIERSZE DEPESZY TKI WIERSZE DEPESZY TKI 18,27% 21, 74% 24,70% 26, 36% m 20, 26, e 17,89% 97% 24,85% 07% m 26, 31, ax 22,37% 67% 32,70% 80% m 17, 21, in 14,61% 65% 16,81% 53% 2,4 3,0 2,25% 6% 3,68% 3% 0,0 0,1 0,05% 6% 0,14% 0% m e mediana, x średnia arytmetyczna, - odchylenie standardowe, wariancja WNIOSKI Wykorzystanie informacji pochodzącej z systemu AIS na temat kursu rzeczywistego i prędkości nad dnem podczas manewrowania antykolizyjnego budzi sporo wątpliwości wśród praktyków. Potwierdzają je wyniki przeprowadzonych badań. Zastosowano dwa podejścia badawcze wyznaczając wskaźnik niezdatności informacyjnej na podstawie analizy transmitowanych komunikatów AIVDM oraz liczby transmitujących te komunikaty statków. Średnie arytmetyczne poszczególnych cech statystycznych przyjmują wartości zbliżone. Rozstęp danych obrazujący dużą zmienność cechy w badaniu niekompletności informacji dotyczy Rate of turn i przyjmuje wartość 15,89%. Wariancje zmiennych losowych przekazują informacje o niskim rozproszeniu rozkładu zmiennych losowych. Na uwagę zasługuje fakt, iż próba przyjęta do badań została wykonana na jednym akwenie, natomiast liczba jednostek statystycznych daje ogólny pogląd na temat niezdatności informacyjnej AIS podczas manewrowania antykolizyjnego. 26

27 LITERATURA Niezdatność informacyjna jako czynnik ograniczający zastosowanie [1] Bailey N., Training, technology and AIS: Looking Beyond the Box, Proceedings of the Seafarers International Research Centre s, 4th International Symposium Cardiff University, pp , [2] Banachowicz A., Wołejsza P., Calculation Accuracy of Safe Course Made Good in an anticollision system, Zeszyty naukowe AM Szczecin, Problemy transportu, [3] Drozd W., Dziewicki M., Waraksa M., Bibik Ł, Operational status of Polish AIS network, Advances in marine navigation and safety of sea transportation, 7th International Symposium TransNav. Akademia Morska, pp , Gdynia, [4] Harati-Mokhtari A., Wall A., Brookes P., Wang J., AIS Contribution in Navigation Operation-Using AIS User Satisfaction Model, 7th International Symposium TransNav. Akademia Morska, pp , Gdynia, [5] Harati-Mokhtari A., Wall A., Brookes P., Wang J., Automatic Identification System (AIS): A Human Factors Approach, Journal of Navigation vol. 60, no. 3, 2007, Cambridge University Press. [6] Hori A., Arai Y., Okuda S., Fujie S., Reliability and Availability on Onboard AIS Information, Materiały konferencyjne IAIN 2009, Stockholm, [7] Rymarz W., Podręcznik międzynarodowego prawa drogi morskiej, Trademar, Gdynia, [8] Wąż M., Opracowanie projektu budowy wektorowej mapy radarowej, Sprawozdanie z realizacji projektu badawczego, Akademia Marynarki Wojennej, Gdynia, [9] Draft Revision of Recommendation ITU-R.M.1371, Technical characteristics for a universal shipborne automatic identification system using time division multiple access in VHF maritime mobile band, Radiocommunication study Groups, Interenational Telecomuniction Union,

28 Krzysztof Jaskólski Data sensitive-fault as a factor limiting the application of ais to avoid collision Common use of AIS on board of the ships covered by SOLAS Convention creates conditions for the use of AIS dynamic data in the situation of the risk of collision. AIS position report is a source of supplementary information derived from error leveraged radar measurement. However, in view of the results of the studies there are opinions with regard to inconsistent AIS dynamic data in the process of decision-making by the officer of the watch. Taking into consideration the recordings of the studies and technical specification of AIS, the results of inconsistent data have significant meaning for collision avoidance maneuvering. Recenzent: prof. dr hab. inż. Andrzej Felski 28

29 F O R U M N A W I G A C J I J E S I E Ń 2010 Andrzej Felski, Katarzyna Potrykus Metody integracji układów inercjalnych z odbiornikami nawigacji satelitarnej Połączenie urządzeń nawigacji inercjalnej (INS) z odbiornikami nawigacji satelitarnej (GNSS) jest coraz powszechniej stosowane. Rozwiązanie to ma na celu poprawę dokładności oraz dostępności serwisu pozycyjnego, co w wielu sytuacjach jest kłopotliwe w przypadku samego odbiornika GNSS. Z drugiej strony systemy INS cechują się narastaniem błędów, co można korygować za pomocą odbiornika GNSS. Wzajemna korekcja obu systemów jest możliwa dzięki temu, że błędy obu systemów cechują się odmiennym widmem błędów. W artykule poddano analizie zasadnicze metody integracji układów INS z odbiornikami GNSS opisane w literaturze. DLACZEGO INTEGRUJEMY SYSTEMY? Zintegrowany system nawigacyjny, zwłaszcza typu pozycjonującego to taki system, który zawiera urządzenia pomiarowe, oraz układ łącznego przetwarzania danych w celu określenia pozycji użytkownika. Dlaczego integrujemy systemy? Otóż głównym zadaniem integracji jest otrzymanie korzyści technicznych, z których zasadniczymi są poprawa parametrów i własności użytkowych systemu. Integracja urządzeń nawigacyjnych staje się koniecznością np. w aplikacjach o wysokich wymaganiach dotyczących dokładności lub niezawodności serwisu, których spełnienie za pomocą jednego przyrządu byłoby bardzo utrudnione, a nawet niemożliwe. W takich przypadkach wykorzystuje się urządzenia mierzące te same lub powiązane ze sobą funkcjonalnie parametry nawigacyjne, które prowadzą do uzyskania nadmiarowości informacji pomiarowej. Dzięki temu możemy poprawić kluczowe parametry systemu, takie jak: dokładność, ciągłość, niezawodność oraz wiarygodność serwisu nawigacyjnego. INTEGROWANE SYSTEMY Global Navigation Satellite System (GNSS) czyli ogólnoświatowy satelitarny system nawigacyjny jest obecnie stosowany powszechnie. System ten ma zasięg globalny dzięki sygnałom radiowym emitowanym przez nadajniki radiowe znajdujące się na sztucznych satelitach Ziemi. Sygnały transmitowane za pośred- 29

30 Andrzej Felski, Katarzyna Potrykus nictwem fal radiowych pozwalają określać współrzędne położenia odbiorników oraz ich zmiany, czyli parametry ruchu. Urządzenia nawigacji inercjalnej realizują metodę nawigacji zliczeniowej. Zasada ich pracy zakłada, że znając miejsce początkowe, oraz mierząc i następnie całkując przyspieszenia w osiach związanego z Ziemią układu odniesienia, można obliczyć aktualną pozycję obiektu, a dokładniej określić współrzędne pewnego jego punktu np. środka masy. Niestety każde rozwiązanie techniczne posiada pewne niedoskonałości i tak system GNSS jest między innymi czuły na utrudnienia pojawiające się na trasie propagacji sygnału radiowego, zwłaszcza na przypadki przesłaniania satelity przez przeszkody terenowe oraz przypadki odbijania się sygnałów od takich przeszkód. Może to prowadzić do błędnych wyznaczeń pozycji lub przerw w pracy systemu. Z kolei cechą negatywną INS jest kumulowanie się błędów, co powoduje, że nawet najdoskonalszy system INS wymaga w pewnym momencie korekty z zewnątrz. Połączenie INS z GNSS stwarza możliwość wyeliminowanie tego rodzaju niedogodności, co w efekcie zwiększa dostępność serwisu nawigacyjnego, a także dokładność wyznaczeń. Wykorzystuje się tu fakt, że oba systemy mają różną propagacje błędów, co czyni je wzajemnie komplementarnymi. Z jednej strony, wykorzystanie wysokiej dokładności, jaką w krótkim okresie osiągają systemy INS, pozwala na wygładzenie obserwacji GNSS, a także pomiary wykonywane metodami inercjalnymi pomagają odbiornikowi GPS wyznaczyć nieoznaczoność fazy, zniwelować wpływ utraty cykli oraz zakłóceń odbioru sygnału z satelitów. Z drugiej strony, wysoka stabilność GPS umożliwia wykorzystanie jego obserwacji do kompensacji błędów systematycznych INS związanych z pogarszaniem wyników wraz z upływem czasu. Integracja odbywa się na poziomie programowym poprzez odpowiednie filtrowanie pomiarów GPS i INS. Warto również wspomnieć o korzyściach ekonomicznych związanych z integracją, które wynikają z możliwości zastąpienia jednego drogiego przyrządu, systemem zintegrowanym, który jest złożony z kilku tańszych urządzeń, oczywiście przy zachowaniu tych samych lub nawet lepszych parametrów pozycjonowania. Tak właśnie jest w przypadku integracji INS/GNSS, gdyż używa się niedrogich INS wykonanych w technologii MEMS, zamiast bardzo drogich systemów INS zbudowanych na żyroskopach laserowych. Integracja INS/GNSS od wielu lat cieszy się zainteresowaniem licznych ośrodków badawczych. Przyczyną jest wielkie zainteresowanie, zwłaszcza w środowiskach realizujących nawigację w warunkach krytycznych dla życia (lotnictwo komunikacyjne) lub w środowisku miejskim niesprzyjającym wykorzystaniu GNSS (tzw. Urban Canions). Do końca XX wieku urządzenia INS nie były dostępne dla szerokiego grona osób, ze względu na wysoką cenę. Były wykorzystywane głównie w lotnictwie wojskowym i niekiedy cywilnym, a w nawigacji morskiej tylko na okrętach wojennych. Obecnie zakres ich stosowania bardzo się rozszerzył dzięki rozwojowi nowej grupy żyroskopów półprzewodnikowych, powszechnie produkowanych w technologii MEMS (ang. Micro Electronic Mechani- 30

31 Metody integracji układów inercjalnych z odbiornikami nawigacji... sed Systems). Tanie wersje systemów INS/GNSS coraz częściej stosuje się również do pozycjonowania niewielkich bezzałogowych aparatów latających UAV (ang. Unmanned Aerial Vehicle), lub AUV (ang. Autonomous Underwater Vehicle), które stanowią specyficzny rodzaj statków powietrznych i podwodnych, a jednocześnie mogą być uważane za autonomiczne roboty. Podobne rozwiązania wykorzystywane są również w pojazdach lądowych oraz naziemnych robotach mobilnych, a nawet w systemach pozycjonowania pieszych [5]. System INS jest w pełni autonomiczny, co oznacza, że nie wymaga żadnego urządzenia zewnętrznego, w przeciwieństwie do systemów satelitarnych, których działanie opiera się na sygnałach transmitowanych przez satelity. Najważniejszą zaletą systemu zintegrowanego jest to, że w przypadku nieaktywność jednego systemu może działać drugi (wzrost dostępności serwisu nawigacyjnego). Z kolei jednoczesne funkcjonowanie dwóch systemów pozwala kontrolować wzajemnie poprawność ich funkcjonowania (ang. Cross control), a zastosowanie odpowiednich algorytmów przetwarzania informacji daje podstawy do uzyskania wyższej dokładności wyznaczeń. Jednakże znane są również algorytmy integracji, które nawet w przypadku, gdy nie ma dostępu do czterech niezbędnych dla funkcjonowania systemu GNSS satelitów, możliwe jest wykorzystanie sygnałów GNSS dla korygowania INS. Jest to poważny problem w dużych miastach, w których wysokie budowle zaburzają drogę sygnałów od satelitów do odbiornika. W systemach, które są przedmiotem niniejszego opracowania stosuje się integrację zarówno metodą filtracji jak i metodą kompensacji. Powszechnie stosowany w nich Filtr Kalmana estymuje pełne zmienne stanu opisujące przede wszystkim położenie, prędkość i orientację przestrzenną pojazdu. W literaturze przedmiotu opisuje się trzy metody integracji: Loosely Coupled Integration (integracja luźno powiązana) Tightly Coupled Integration (integracja ściśle powiązana) Deep lub Ultra Tightly Coupled Integration (integracja głęboko powiązana). INTEGRACJA LUŹNO POWIĄZANA W przypadku integracji luźno powiązanej (ang.: loosely coupled integration) łączona jest informacja wyjściowa z dwóch niezależnie działających urządzeń, najczęściej z użyciem filtru Kalmana. Możliwa jest metoda integracji sposobem filtracji lub kompensacji z korekcją wstecz i w przód. Dużą zaletą tej integracji jest prosta architektura tj. może być używany zarówno z dowolnym urządzeniem nawigacji inercjalnej jak i nawigacji satelitarnej. Urządzenie INS oraz odbiornik GNSS dostarczają wstępnie przetworzone dane w postaci obliczonych elementów nawigacyjnych (położenia, prędkości). W systemach luźno zintegro- 31

32 Andrzej Felski, Katarzyna Potrykus wanych występują przeważnie dwa filtry Kalmana, tworzące razem filtr kaskadowy (rys. 1). O d b io rn ik G N S S IM U P rz e tw a rz a n ie in fo rm a c ji D o d a tk o w e in fo rm a c je R o z w ią z a n ia n a w ig a c ji in e rc ja ln e j G N S S w e w n ę trz n y filtr K a lm a n a r, v In te g ra c ja IN S /G N S S filtr K a lm a n a P o p ra w k i IN S K o re k c ja w ste c z W y n ik k o ń c o w y GNSS W y n i k k o ń c o w y integracji IN S/G N SS (k o re k c j a w p rz ó d ) W y n ik k o ń c o w y in te g ra c ji IN S /G N S S (korekcja wstecz) W y n ik k o ń c o w y n a w ig a c ji in e rc ja ln e j (korekcja w przód) Rys. 1 Luźno zintegrowany system INS/GNSS (według [5]). Na schemacie przedstawionym na rys. 1 dostrzec można, że pierwszy filtr Kalmana połączony jest z odbiornikiem GNSS i estymuje prędkość oraz położenie w wyniku przetwarzania pseudoodległości zmierzonych w technice GNSS. Drugi filtr stanowi filtr zewnętrzny, który integruje dane z wewnętrznego filtru GNSS oraz z systemu INS. Prostota tej metody integracji wynika przede wszystkim z faktu, że odbiornik GNSS zawiera swój filtr Kalmana i zwykle konieczne jest jedynie opracowanie filtru zewnętrznego. Kompensacja z korekcją w przód wynika z komplementarności charakterystyk statystycznych błędów systemu INS i odbiornika GNSS. Błędy w systemie INS są wolnozmienne, narastają w sposób nieograniczony i są ściśle powiązane z czasem, zaś błędy pozycjonowania odbiornika GNSS zawierają składowe wolnozmienne oraz szybkozmienne, lecz ich amplituda jest ograniczona. Ze względu na to, że model błędów systemu luźno zintegrowanego INS/GNSS jest liniowy i zawiera addytywne, gaussowskie zakłócenia procesu oraz błędy pomiarowe, a także ze względu na zastosowaną integrację metodą kompensacji z korekcją w przód, właściwym algorytmem przetwarzania danych nawigacyjnych w tym systemie jest liniowy filtr Kalmana [5]. Dla odmiany wewnętrzny filtr Kalmana jest zwykle Rozszerzonym Filtrem Kalmana (EKF ang. Extender Kalman Filter) co wynika z własności satelitarnych urządzeń nawigacyjnych - 32

33 Metody integracji układów inercjalnych z odbiornikami nawigacji... model odbiornika GNSS jest nieliniowy i zawiera addytywne, gaussowskie zakłócenia procesu oraz błędy pomiarowe. Największą wadą systemu luźno zintegrowanego jest to, iż w pełni zależy od przetwarzanych pomiarów pobranych z GNSS. W przypadku, gdy odbiornik odbiera sygnały od mniej niż czterech satelitów to brak jest rozwiązania, a w efekcie nie są podawane do dalszej filtracji. Również stosowanie filtru kaskadowego przysparza dodatkowych problemów, albowiem dane wyjściowe z filtru Kalmana są skorelowane w czasie, podczas gdy zasada funkcjonowania filtru Kalmana zakłada, że nie powinny one być skorelowane. Sytuacja ta może zakłócić pracę filtru i spowodować zakłócenia w pracy INS. INTEGRACJA ŚCIŚLE POWIĄZANA W przypadku rozwiązania nazwanego integracją ściśle powiązaną (ang.: tightly coupled integration) danymi wyjściowymi z odbiornika GNSS są nieprzetworzone pseudoodległości i ewentualnie zmiany tych wielkości. Pominięcie wewnętrznego filtru Kalmana w odbiorniku GNSS pozwala uniknąć problemów związanych ze stosowaniem filtrów kaskadowych, które występują w systemach luźno zintegrowanych, ale jednocześnie komplikuje opracowanie zewnętrznego filtru integrującego dane systemu INS i odbiornika GNSS. Elementy systemu ściśle zintegrowanego są takie same jak w systemie luźno zintegrowanym, dlatego też stosuje się tę samą metodę integracji (metoda kompensacji). Dane wyjściowe tracą właściwości gaussowskie i system zintegrowany ma nieliniowy model obserwacji. Biorąc pod uwagę bardzo duże odległości między satelitą a użytkownikiem w systemie GNSS i porównując je z błędami uzyskiwanymi z systemów INS dochodzimy do wniosku, że jest to nieliniowość słaba i nawet znaczne błędy INS nie powodują istotnych błędów linearyzacji. 33

34 Andrzej Felski, Katarzyna Potrykus Rys.2 Schemat korekcji w przód (na podstawie [3]). W wariancie integracji ściśle powiązanej może być zastosowana zarówno metoda kompensacji z korekcją w przód jak i wstecz przy użyciu scentralizowanego filtru Kalmana, w którym pomiary pseudoodległości GNSS nie były wstępnie przetwarzane przez wewnętrzny filtr Kalmana odbiornika GNSS (tak, jak to było w przypadku integracji luźno powiązanej). Schemat przedstawiony na rys. 2 obrazuje zintegrowany system pozycjonujący INS/GNSS z korekcją w przód według [5]. Filtr Kalmana przetwarza różnice odległości satelita - użytkownik INS oraz pseudoodległości GNSS i estymuje błędy INS oraz błędy zegara odbiornika GNSS. Wektor INS jest obliczany na podstawie położenia użytkownika (INS) oraz położenia satelitów (,Y,Z) GNSS z odbiornika GNSS, zgodnie z zależnością opisywaną za pomocą funkcji h, z której następnie otrzymujemy wektor pomiarowy z. Wektor z składa się z różnic pomiędzy obliczonymi odległościami użytkownik - satelita INS oraz pseudoodległości GNSS: z INS - GNSS (1) INS i (X i -x INS ) 2 (Y i -y INS ) 2 (Z i -z INS ) 2 = [X i -(x x)] 2 [Y i -(y y)] 2 [Z i -(z z)] 2 (2) ignss (X i -x) 2 (Y i -y) 2 (Z i -z) 2 + b+v i (3) 34

35 Metody integracji układów inercjalnych z odbiornikami nawigacji... gdzie: x, y, z - rzeczywiste położenie w układzie odniesienia ECEF (ang.: Earth - Centered Earth - Fixed), jest to układ współrzędnych związany z Ziemią o początku w środku Ziemi; x INS,y INS, z INS - położenie użytkownika z systemu INS (ECEF); δx, δy, δz błędy położenia INS (ECEF); i, Y i, Z i - położenie i-tego satelity GNSS (ECEF); INS i - odległość pomiędzy i-tym satelitą a użytkownikiem obliczona na podstawie danych z INS; ignss - i-ta pseudoodległość z odbiornika GNSS; b odległościowy ekwiwalent błędu zegara odbiornika GNSS; v i - błąd pomiarowy i-tej pseudoodległości. Obliczenia INS wymagają zmiany współrzędnych elipsoidalnych (φ,λ,h), w których wyrażone jest położenie INS, na współrzędne prostokątne (x,y,z), co przedstawia blok (φ,λ,h) (x,y,z). Estymowane przez filtr Kalmana błędy położenia są podawane w metrach, wzdłuż osi lokalnego horyzontalnego układu współrzędnych NED (ang.: North East - Down). Aby je odjąć od współrzędnych (φ,λ,h) otrzymanych z INS, wyrażonych w układzie ECEF, konieczne jest przeliczenie błędów położenia w układzie NED δn,δe, δd na δ,δ, δh. Wykonuje się to w następujący sposób [5]: φ N/R (4) λ E Rcosφ (5) h = - D (6) Model systemu INS/GNSS z korekcją w przód jest modelem nieliniowym o addytywnych, gaussowskich zakłóceniach procesu i błędach pomiarowych. Zastosowano w nim linearyzowany filtr Kalmana (LKF - Linearised Kalman Filter). W punktach (x,y,z) INS (określonych przez system nawigacji inercjalnej bez korekcji) odbywa się linearyzacja nieliniowego modelu obserwacji w LKF. W wyniku linearyzacji, nieliniowy model obserwacji zastępujemy równaniem liniowym. Wartości liczbowe obliczane są w punktach (x,y,z) INS, które należą do trajektorii statku, która w systemie z korekcją w przód jest otrzymywana z INS przed korekcją. Wadą tej metody jest narastająca w czasie pracy systemu rozbieżność trajektorii pojazdu określanej przez system INS w porównaniu do rzeczywistej trajektorii ruchu. Wynika to z rosnących błędów wraz z upływem czasu, dlatego przy krótkim czasie pracy, wpływ błędów systemu INS jest niewielki. 35

36 Andrzej Felski, Katarzyna Potrykus Rys. 3 Schemat korekcji wstecz (na podstawie [3]) Rysunek 3 przedstawia schemat zintegrowanego systemu INS/GNSS z korekcją wstecz, w którym estymata błędu całkowitego δx jest stosowana do korekcji, wykonywanej w pętli sprzężenia zwrotnego. Korekcja błędów INS jest realizowana na bieżąco, co sprawia, że na wyjściu występują niewielkie błędy resztkowe. W tym przypadku wyjście INS stanowi wyjście całego systemu zintegrowanego INS/GNSS. Model systemu INS/GNSS z korekcją wstecz jest nieliniowy, a zakłócenia i błędy pomiarowe są addytywne. Stosuje się filtr EKF gdyż model systemu obserwacji jest nieliniowy. Korekcja obejmuje tylko błędy INS, które są następnie wprowadzane, jako poprawki do systemu nawigacji inercjalnej. W tym przypadku błędy zegara odbiornika GNSS nie są korygowane. Należy zauważyć, że zastosowana odmiana Filtru Kalmana różni się od filtru stosowanego w systemach z korekcją w przód. Występuje tu rozszerzony, a nie linearyzowany filtr Kalmana, w którym linearyzacja nieliniowego modelu obserwacji odbywa się wokół trajektorii odniesienia pochodzącej z wyjścia systemu zintegrowanego, a więc skorygowanej o estymaty błędów systemu INS δx i przez to dokładniejszej od trajektorii stosowanej w systemie z korekcją w przód. Błędy INS w systemie z korekcją wstecz są utrzymywane na stałym, niskim poziomie, za pomocą częstej korekcji poprawkami pochodzącymi z algorytmu filtracji (zakładając, że dane z odbiornika GNSS są cały czas dostępne). Wektor pomiarowy z na wejściu filtru Kalmana jest tworzony już ze skorygowanych danych INS i wartości jego elementów nie narastają w sposób nieograniczony w miarę upływu czasu. Znaczącą wadą systemu INS/GNSS z korekcją wstecz jest konieczność dysponowania INS, który akceptuje poprawki zewnętrzne. Oznacza to, że korekcja 36

37 Metody integracji układów inercjalnych z odbiornikami nawigacji... w przód jest bardziej elastyczna i może być wykorzystywana w urządzeniach nawigacji inercjalnej, w których nie można stosować korekcji. INTEGRACJA GŁĘBOKO POWIĄZANA Najnowszą tendencją w zakresie integracji INS/GNSS jest integracja głęboko powiązana (ang.: deep lub ultra-tightly-coupled integration). Na język polski tłumaczymy oba te terminy jednakowo, jednak integracja ultra-tightly różni się nieznacznie od integracji deep sposobem śledzenia danych. Zaletą wariantu deep integration jest to, że tylko błędy z systemu inercjalnego muszą podlegać stałemu śledzeniu. Tak jak w poprzednim przypadku informacje z odbiornika GNSS oraz przetworzone dane z systemu inercjalnego generowane są za pomocą filtru Kalmana. Zapewnia to lepszą jakość otrzymanego z odbiornika GNSS, sygnału, który mógł zostać stłumiony albo zagłuszony, celowo bądź przypadkowo. Występują dwa rodzaje głębokiej integracji: koherentna i niekoherentna. W przypadku wariantu koherentnego (bardziej dokładna), unika się nieliniowości i redukuje dane ze śledzenia. W tym przypadku przebiegi modelujące sygnały odebrane od satelitów (synfazowy I S oraz kwadraturowy Q S )dosyłane są bezpośrednio do filtru Kalmana - jako pomiary. W wariancie niekoherentnym najpierw I S i Q S poddaje się kodowaniu i przepuszcza przez funkcję dyskryminatora, a dopiero później przesyła do filtru Kalmana. Na rys. 4 przedstawiono zintegrowany system INS/GNSS z korekcją wstecz. Sygnał z odbiornika jest wygładzany w celu usunięcia szumów i zakłóceń. Cyfrowy generator sygnału (ang.: Numerically Controlled Oscillator - NCO) generuje dane sterujące odbiornikiem satelitarnym na podstawie wyników pracy inercjalnego systemu, filtru Kalmana oraz uwzględnia poprawki pozycji i prędkości z nawigacji satelitarnej, poprawki jonosferyczne, troposferyczne i czasowe. Za pomocą korekcji wstecz, dane są przetwarzane wielokrotnie nim użytkownik otrzyma wartości na wyjściu. 37

38 Andrzej Felski, Katarzyna Potrykus Rys. 4 Schemat systemu z głęboką integracją z korekcją wstecz ( na podstawie [3]). I S, Q S Generowane w korelatorze sygnały (synfazowy i kwadraturowy) zawierające informację o fazie i kodzie sygnału satelitarnego. Z powyższego rysunku widać, że w wariancie głębokiej integracji informacja dostarczana przez odbiornik GNSS jest przetworzona w niewielkim stopniu, bowiem są to przebiegi elektryczne odpowiadające sygnałom radiowym odebranym od satelitów. Przypomnijmy, iż w wariancie integracji luźno powiązanej pomiary satelitarne dostarczają wektor stanu obiektu w postaci współrzędnych oraz ich pochodnych, zaś w wariancie ściśle powiązanej integracji są to funkcje pseudoodległości do satelitów. 38

39 WNIOSKI Metody integracji układów inercjalnych z odbiornikami nawigacji... Zastosowanie zintegrowanych systemów INS/GNSS zapewnia użytkownikowi lepszą niezawodność i dokładność procesu wyznaczania pozycji. W dużych miastach, gdzie występują wysokie budowle i akwizycja sygnału satelitarnych jest ograniczona, zintegrowany system doskonale poradzi sobie ze wskazaniem pozycji. INS/GNSS stosuje się do pozycjonowania niewielkich bezzałogowych aparatów latających UAV, pojazdów lądowych oraz naziemnych robotów mobilnych. Takie urządzenia dopiero wchodzą na rynek i nie są dostępne dla wszystkich ze względu na cenę oraz niedostateczne rozpowszechnienie. Większość użytkowników nie ma pojęcia o istnieniu zintegrowanych systemów i korzystają z ogólnodostępnych zwykłych odbiorników GPS. Nasuwa się pytanie, jaka integracja jest najkorzystniejsza? Integracja głęboko powiązana jest najbardziej skomplikowana pod względem architektury i nie jest ostatecznie dopracowana, dlatego też ciągle trwają nad nią testy i badania. Dużą zaletą integracji luźno powiązanej jest prosta architektura, co oznacza, że może być używana zarówno z dowolnym urządzeniem nawigacji inercjalnej, jak i nawigacji satelitarnej. System wyprowadza dane zintegrowane oraz dodatkowo dane z każdego urządzenia osobno. Odbiornik GNSS zawiera już filtr Kalmana i zwykle konieczne jest jedynie opracowanie filtru zewnętrznego. Oczywiście system luźno zintegrowany posiada wady np. jest w pełni zależny od przetwarzanych pomiarów pobranych z GNSS. W przypadku, gdy nie ma sygnałów z czterech satelitów, surowe dane nie są rozwiązywane i poddawane dalszej filtracji. W systemie ściśle zintegrowanym danymi wyjściowymi z odbiornika GNSS są nieprzetworzone pseudoodległości. Pominięcie wewnętrznego filtru Kalmana w odbiorniku GNSS pozwala uniknąć problemów związanych z filtrem kaskadowym, jednocześnie utrudnia opracowanie zewnętrznego filtru integrującego dane z systemu INS i odbiornika GNSS. Jak widać wybór metody integracji systemów INS i GNSS nie jest łatwy, gdyż każda ma swoje wady i zalety. Jedni producenci przy wyborze kierują się tym, że system luźno zintegrowany dopuszcza do filtracji tylko dane pobrane z co najmniej czterech satelitów, a system ściśle zintegrowany wszystkie dane z odbiornika GNSS. Drudzy kierują się prostotą budowy i wybierają system luźno powiązany, którego niezaprzeczalną zaletą jest to, iż w przypadku awarii jednego z elementów drugi może nadal funkcjonować. Wiadomo, że nie tylko metoda integracji ma wpływ na jakość produktu. Dwa różne urządzenia pierwotne (INS, GNSS) tak samo zintegrowane mogą wskazywać różne dokładności w tych samych warunkach terenowych. Wynika to z zastosowanych rozwiązań strukturalnych, a w przypadku układów inercjalnych - także ze sposobu produkcji, zastosowanych materiałów oraz filtrów. 39

40 Andrzej Felski, Katarzyna Potrykus OZNACZENIA AUV Autonomiczny pojazd podwodny (Autonomous Underwater Vehicle) ECEF Układ współrzędnych związany z Ziemią (ang. Earth Centered, Earth Fixed) EKF Rozszerzony Filtr Kalmana I S Sygnały synfazowe z sygnałami odbieranymi od satelitów IMU - Inercjalny Układ Pomiarowy (Inertial Measurement Unit) INS Inercjalny System Nawigacyjny GNSS Globalny, Nawigacyjny System Satelitarny GPS Globalny System Pozycyjny LKF Liniowy Filtr Kalmana MEMS Miniaturowe systemy elektro-mechaniczne (ang. Micro Electronic Mechanised Systems). NCO Generator cyfrowy (Numerically Controlled Oscillator) NED Lokalny, horyzontalny układ współrzędnych (ang.: North East-Down). Q S Sygnały kwadraturowe względem sygnałów odebranych od satelitów UAV Bezzałogowy pojazd powietrzny (ang. Unmanned Aerial Vehicle) BIBLIOGRAFIA: [1] Bhatti I. U.: Improved integrity algorithms for integrated GPS/INS system in the presence of slowly growing errors. Department of Civil and Environmental Engineering Imperial College London, London [2] Godha S., Cannon M. E.: GPS/MEMS INS integrated system for navigation in urban areas. Springer- Verlag, London, New York, [3] Groves P. D.: Principles of GNSS, Inertial, and Multisensor Integrated Navigation System. Artech, House, London, [4] Jose J. M.: Performance comparison of Extended and Unscented Kalman Filter implementation in INS-GPS integration. Czech Technical University in Prague, Prague, [5] Kaniewski P. T.: Struktury, modele I algorytmy w zintegrowanych systemach pozycjonujących i nawigacyjnych. Wydawnictwo WAT, Warszawa, [6] Ortyl A.: Systemy nawigacji lotniczej. Skrypt WAT, Warszawa, [7] Specht C.: System GPS. Wydawnictwo Bernardinum, Pelplin,

41 Metody integracji układów inercjalnych z odbiornikami nawigacji... [8] Yong L.: What are the differences between the coherent and non-coherent versions of deep integration combined inertial navigation and GNSS system. Inside GNSS, January/February, 26-29, Methods of INS/GNSS integration The coupling of inertial devices (INS) with satellite navigation receivers (GNSS) is more and more common. The main reason of this is the improvement of the accuracy and the accessibility of the positional service, which is troublesome in many situations in the case of free-standing GNSS receiver. On the other hand, INS systems accumulate errors with time, which can be corrected by means of GNSS receiver. The mutual correction of both systems is possible because errors of each systems have different spectrum. Analysis of main methods of integration of INS devices with GNSS receivers described in the literature is presented in this paper. Recenzent: dr hab. inż. Stanisław Kołaczyoski 41

42 F O R U M N A W I G A C J I J E S I E Ń 2010 Wojciech Kuryło, Dariusz Szulc Systemy teledetekcji pojazdu podwodnego budowanego na bazie torpedy SET 53 Poniższy artykuł przedstawia koncepcje zmian konstrukcyjnych głowicy torpedy SET-53 wraz z rozmieszczeniem wybranych systemów teledetekcji. WPROWADZENIE Bezzałogowe pojazdy podwodne (UUV Unmanned Undersea Vehicles) są powszechnie wykorzystywane na świecie do szeregu zadań podwodnych, w tym również do prowadzenia rekonesansu akwenu morskiego. Pojazdy takie w zależności od konstrukcji dzielą się na autonomiczne pojazdy podwodne (AUV Autonomus Underwater Vehicle) oraz zdalnie sterowane pojazdy podwodne (ROV Remote Operated Vehicle). W ramach artykułu opisane zostaną wybrane systemy detekcji oraz projekt nowej głowicy torpedy SET 53 wraz z rozmieszczeniem wybranych systemów detekcji w sposób graficzny, za pomocą programu Autodesk Inventor Professional Możliwość skonstruowania tego typu pojazdu podwodnego dostrzeżona została w innych państwach. Pojazdy podwodne na bazie torped są konstruowane i eksploatowane m.in. w amerykańskiej, niemieckiej i szwedzkiej marynarce wojennej. Adaptacje torped na bezzałogowe pojazdy podwodne znalazły swe zastosowanie głównie ze względów ekonomicznych. SYSTEMY TELEDETEKCJI DLA KONSTRUOWANEGO POJAZDU PODWODNEGO Przeznaczeniem systemów optoelektronicznych i hydrolokacyjnych stosowanych w technice morskiej jest wykrywanie, identyfikacja i klasyfikacja obiektów nawodnych i podwodnych oraz szczegółowa inspekcja wizyjna na bliskich odległościach przy pomocy zewnętrznego źródła oświetlenia, a także na większych odległościach przy wykorzystaniu zjawiska propagacji fali akustycznej. Stanowią pomoc przy wykonywaniu zadań przeciwminowych, ratowniczych i prowadzenia napraw (np. rurociągów). Pojazd podwodny winien zostad wyposażony w następujące urządzenia akustyczne: echosondę, 42

43 Systemy teledetekcji pojazdu podwodnego budowanego na bazie torpedy... sonar czołowy, sonar boczny, sondę CTD, Acoustic Doppler Current Profiler oraz w urządzenie optoelektroniczne: kamerę. Dobór został podporządkowany przeznaczeniu pojazdu, którym miedzy innymi jest poszukiwanie i identyfikacja obiektów mino-podobnych oraz na podstawie wykonanej analizy danych technicznych, informacji uzyskanych za pośrednictwem internetu oraz podczas konsultacji. Ze względu na koniecznośd zainstalowania urządzeo w głowicy torpedy SET 53 brano pod uwagę także masę oraz wymiary urządzeo. KAMERA Mała przezroczystość wody, obszaru pracy pojazdu podwodnego Morza Bałtyckiego w szczególności na głębokościach 30m i większych powoduje, że kamery stanowią jedynie środki obserwacji technicznej służące końcowej identyfikacji obiektów mino-podobnych oraz wraz z sonarem czołowym stanowią oczy pojazdu podwodnego. Celem zastosowania kamery jest obserwacja i zbieranie informacji na temat obszaru poszukiwao podczas przejścia pojazdu podwodnego wcześniej zaplanowana trasą. Na podstawie danych technicznych, informacji uzyskanych za pośrednictwem internetu oraz podczas konsultacji, wybrana została kamera oe14-112/113 Rys Kamera oe14-112/113 [1] Ze względu na przeznaczenie pojazdu podwodnego kamera stanowi urządzenie służące do uzupełnienia pracy sonaru bocznego poprzez umożliwienie zbierania informacji w postaci obrazów z trasy przejścia. Istotnymi parametrami 43

44 Wojciech Kuryło, Dariusz Szulc kamery branymi pod uwagę przy wyborze modelu do zamontowania w głowicy torpedy SET 53 jest masa oraz wymiar. Tab Masa i wymiary kamery oe14-112/113 masa w powietrzu masa w wodzie średnica długość oe14-112/113 6,2 kg 3,6 kg 157 mm 180 mm Rys Rzut prostokątny z boku. Rzut izometryczny. Producent umożliwia przy zakupie wybór wersji: oe14-112, działająca w oparciu o system PAL 1, oe14-113, działająca w oparciu o system NTSC 2. Ważną cechą kamery oe14-112/113 jest jej możliwośd zdalnego sterowania, po wcześniejszym zaprogramowaniu, za pomocą dedykowanego oprogramowania firmy Kongsberg oraz w czasie rzeczywistym poprzez operatora za pośrednictwem komputera. Kamera może zostad połączona z urządzeniem sterującym za pośrednictwem: 1 System PAL (ang. Phase Alternating Line). Standard nadawania koloru w sygnale telewizyjnym, będącym modyfikacją systemu NTSC. [wikipedia] 2 System NTSC (ang. National Television System Committee). Amerykański system telewizji analogowej, którego nazwa pochodzi od pierwszych liter organu który ten system zatwierdził. [wikipedia] 44

45 Systemy teledetekcji pojazdu podwodnego budowanego na bazie torpedy... pojedynczego przewodu tri - state ; podwójnego przewodu dwubiegunowego; RS485; Magistrali CAN. Największe możliwości pod względem prowadzenia obserwacji w czasie rzeczywistym daje połączenie za pośrednictwem przewodu komputerowego RS485. Ponadto poprzez połączenie w aparacie: technologii Super HAD DSP, zapewniająca wysoką rozdzielczośd i definicję obrazu, funkcji close-up, zagwarantowana po przez potężny zoom optyczny (10x) oraz cyfrowy (40x), innowacyjnego mechanizmu, pozwalającego na automatyczny obrót o 360 przy jednoczesnym pochyleniu głowicy kamery do 180. Uzyskujemy doskonałe połączenie funkcjonalności kamery w stosunku do potrzeb pojazdu AUV i stawianych przed nim zadań. Dodatkowo kamera umożliwia nanoszenie numeru identyfikacyjnego, daty i czasu na wykonane zdjęcia, co staje się użyteczne przy analizie obrazów z badanego obszaru i porównania ich z obrazami sonarowymi. Podsumowując, zdecydowano się na zamontowanie kamery oe14-112/113 ponieważ jej możliwości w stosunku do małej zwrotności pojazdu AUV są wystarczające do realizacji zadao stawianych przed pojazdem podwodnym. ECHOSONDA Dalsza część artykułu zawiera opis urządzeń hydroakustycznych, wykorzystujących w swym działaniu propagację fali akustycznej w przestrzeni morskiej. Wśród nich wyróżniamy: Echosondę jednowiązkowa; Sonar czołowy; Sonar boczny; Sondę CTD; Acoustic Doppler Current Provider. Zastosowanie poszczególnych urządzeń na pojeździe podwodnym AUV: określanie profilu dna morskiego oraz wykonywanie badao dna morskiego pod kątem wykrycia ewentualnych min morskich (sonar boczny oraz sonar czołowy); 45

46 Wojciech Kuryło, Dariusz Szulc zabezpieczenie prowadzenia bezpiecznej nawigacji (echosonda, sonar czołowy, ADCP); kalibracja urządzeo wykorzystujących w swym działaniu propagacje wiązki akustycznej, poprzez dokładne określenie prędkości dźwięku w wodzie (sonda CTD). ECHOSONDA JEDNOWIĄZKOWA Wybór echosondy jednowiązkowej wynika główne ze względów ekonomicznych oraz potrzeb pojazdu AUV pod kątem stawianych przed nim zadań. Celem zastosowania urządzenia jest określenie głębokości akwenu podczas przejścia. Na podstawie danych technicznych, informacji uzyskanych za pośrednictwem internetu oraz podczas konsultacji, wybrana została echosonda TriTech Seaking Parametric Sub Bottom Profiler. Rys TriTech Seaking Parametric Sub Bottom Profiler [2] Podczas prowadzenia prac podwodnych przez pojazd AUV niezbędna jest informacja na temat tendencji zmian głębokości dna w celu wykonania ewentualnego manewru zapobiegającemu kolizji, co powoduje, iż przy wyborze echosondy najważniejszym parametrem była jej częstotliwość pracy, natomiast masa oraz wymiary jest to informacja dodatkowa. Tab Masa i wymiary echosondy TriTech Seaking Parametric Sub Bottom Profiler masa w powietrzu masa w wodzie średnica długość Echosonda 6,3 kg 2,7 kg 200 mm 330 mm 46

47 Systemy teledetekcji pojazdu podwodnego budowanego na bazie torpedy... Rys Rzuty prostokątne z boku i z góry. Rzut izometryczny. Ważną cechą echosondy jest możliwość jej wszechstronnego użycia. Może zostać zaprogramowana do pracy na małych głębokościach jak i do wykonywania pomiarów na akwenach głębszych. Umożliwione zostało to poprzez dwuczęstotliwościowy system pracy. Dodatkowo mały pobór mocy i stosunkowo małe wymiary stanowią, iż urządzenie jest warte zainstalowania na pojeździe podwodnym. Istnieje możliwość zdalnego sterowania pracą echosondy za pośrednictwem komputera. W tym celu niezbędne jest: dedykowane oprogramowanie TriTech Seanet display, przewód RS232. Połączenie umożliwia sterowanie pracą echosondy, przechowywanie wykonanych pomiarów w pamięci komputera oraz wyselekcjonowanie danych niezbędnych systemowi nawigacji pojazdu. TriTech Seaking Parametric Sub Bottom Profiler zdolny jest także do penetracji dna i wyszczególnienia różnic struktur oraz warstw, które są niewidoczne dla konwencjonalnych echosond. Podsumowując zdecydowano się na zamontowanie wyżej wymienionego urządzenia ze względu na jego możliwości pomiarowe w stosunku do rozmiarów, ceny oraz wymagań stawianych przed nim przez przeznaczenie pojazdu podwodnego. SONAR CZOŁOWY 47

48 Wojciech Kuryło, Dariusz Szulc Współczesne systemy nawigacyjne pojazdów AUV wykorzystują podczas przejścia informacje uzyskane na temat tendencji zmian głębokości akwenu ale także pochodzące od sonaru czołowego (np. na temat wykrytego obiektu na trasie przejścia). Celem zastosowania sonaru czołowego jest obserwacja sektorów dziobowych pojazdu i wykrywanie ewentualnych obiektów lub innych zagrożeń nawigacji. Uzyskane w ten sposób informacje są analizowane w czasie rzeczywistym przez system nawigacji który podejmuje decyzje na temat wykonania manewru antykolizyjnego. Na podstawie danych technicznych, informacji uzyskanych za pośrednictwem internetu oraz podczas konsultacji, wybrany został sonar czołowy Tritech Super SeaKing DST. Rys Tritech Super SeaKing DST [3] Ze względu na przeznaczenie pojazdu podwodnego AUV, urządzenie stanowi jedno z najważniejszych podsystemów montowanych na nim. Przez co parametry takie jak wymiary oraz masa stanowią jedynie informacje drugorzędną, niemającą znaczącego wpływu na wybór sonaru czołowego. Tab Masa i wymiary sonaru czołowego Tritech Super SeaKing DST masa w powietrzu masa w wodzie średnica długość SeaKing DST 3,0 kg 1,4 kg 110 mm 224 mm 48

49 Systemy teledetekcji pojazdu podwodnego budowanego na bazie torpedy... Rys Rzut prostokątny z dołu, z przodu i z góry. Rzut izometryczny. Ważną cechą sonary czołowego SeaKing jest technologia Edge Tech s Full Spectrum CHIRP, która nie tylko wpływa na lepszą rozdzielczość obrazów sonarowych ale dodatkowo zwiększa o 20-30% zasięg wykrywania obiektów w stosunku do innych systemów, nie CHIRP. Dla przykładu przy pracy na częstotliwości 325 khz uzyskany został maksymalny zasięg 300 m przy, którym możliwe jest wykrycie i identyfikacja obiektów w środowisku morskim. Unikalną zaletą sonaru jest modułowa konstrukcja przetwornika. Wpływa to na minimalizacje kosztów napraw uszkodzeń powstałych podczas użytkowania produktu. Przetworniki połączone są ze sobą za pomocą specjalnych pierścieni. Budowa taka zwiększa niezawodności urządzenia, głównie pod względem odporności na uszkodzenia mechaniczne. Dodatkowo istnieje możliwość określenia szerokości wiązki w zakresie 1,5 360 w płaszczyźnie horyzontalnej. Sonar ma możliwość połączenia do komputera za pomocą przewodu RS 232. Połączenie takie umożliwia sterowanie pracą sonaru zdalnie za pomocą 49

50 Wojciech Kuryło, Dariusz Szulc komputera, zachowywanie na nim pozyskanych obrazów sonarowych oraz wyselekcjonowanie informacji niezbędnych systemowi nawigacyjnemu. Podczas pracy sonaru istnieje możliwość użycia jednej z dwóch częstotliwości: 250 khz; 620 khz. Wybór częstotliwości jest uwarunkowany odległością do wykrywanego obiektu. Podsumowując, zdecydowano się na zamontowanie sonaru czołowego Tritech Super SeaKing DST, ponieważ jego możliwości stają naprzeciw wymaganiom stawianym pojazdowi podwodnemu w zakresie wykrywania i identyfikacji obiektów znajdujących się na trasie przejścia. SONAR BOCZNY Spośród wielu metod i rozwiązań technicznych do wykonania rekonesansu akwenu, w którym istnieje zagrożenie minowe, największym zainteresowaniem, ze względu na efektywność cieszy się sonar boczny. Na podstawie zebranych informacji podczas przejścia, operator jest w stanie określić czy dane zagrożenie istnieje lub je wykluczyć. Celem zastosowania na pojeździe podwodnym jest: poszukiwanie i wykrywanie obiektów sztucznych oraz naturalnych stanowiących zagrożenie dla bezpieczeństwa żeglugi okrętów MW RP; monitorowanie i wykrywanie ewentualnych uszkodzeń podwodnych rurociągów, torów kablowych oraz instalacji; sprawdzanie czystości dna kanałów, basenów portowych, torów wodnych, red, kotwicowisk, akwenów specjalnego przeznaczenia, lokalizacja sztucznych obiektów. gromadzenie danych istotnych do prowadzenia prac pogłębiarskich i hydrotechnicznych; identyfikacja ruchomego podłoża morskiego, rodzaju osadów powierzchniowych i akwizycja danych o jego strukturze. [6] Na podstawie danych technicznych, informacji uzyskanych za pośrednictwem internetu oraz podczas konsultacji, wybrany został sonar boczny 4200 Multi-Purpose Survey. 50

51 Systemy teledetekcji pojazdu podwodnego budowanego na bazie torpedy... Rys Holowany Sonar Boczny: 4200 Multi-Purpose Survey [4] Ze względu na przeznaczenie pojazdu podwodnego AUV, sonar boczny stanowi najważniejszy element wyposażenia hydro-akustycznego. Z tego względu przy doborze brano pod uwagę możliwość pracy na dwóch częstotliwościach. Takie rozwiązanie umożliwia dostosowanie częstotliwości pracy do odległości obiektu wykrywanego do pojazdu. Wybrany sonar może pracować na częstotliwościach 300 khz i 900 khz, co odpowiada odległości wykrycia 230 m i 75 m. Następnym istotnym elementem jest maksymalna prędkość wykrycia. Pojazd w swych założeniach ma poruszać się z dwoma prędkościami: poszukiwawcza do 10 węzłów, wykrywania do 4 węzłów. Sonar 4200 Multi-Pulpose Survey zapewnia wykrycie obiektów podwodnych przy maksymalnej prędkości 10 węzłów, przez co spełnia stawiane przed nim wymagania. W związku z zdaniami pojazdu podwodnego, masa oraz wymiary sonaru bocznego nie są parametrami mającymi najistotniejszy wpływ na wybór. Tab Masa i wymiary przetwornika sonaru bocznego 4200 Multi-Purpose Survey masa w powietrzu masa w wodzie średnica długość 4200 MP Survey 30 kg 18 kg 114 mm 1256 mm 51

52 Wojciech Kuryło, Dariusz Szulc Rys Rzuty prostokątne z boku i z góry. Rzut izometryczny. Ważną cechą sonaru bocznego serii 4200 jest możliwość jego wszechstronnego użycia. Może zostać zaprogramowany do pracy na małych głębokościach oraz na głębokich wodach. Ponadto wyposażony został w technologię Edge Tech s Full Spectrum CHIRP, która nie tylko wpływa na lepszą rozdzielczość obrazów sonarowych, ale dodatkowo zwiększa o 20-30% zasięg wykrywania obiektów w stosunku do innych systemów, nie CHIRP. Unikalną cechą 4200 jest technologia Multi-Pulse (MP) zapewniająca dwukrotne pokrycie tego samego miejsca poprzez wysłanie dwóch impulsów akustycznych w kierunku dna morskiego w czasie, gdy tradycyjny sonar wysyła jedynie jedną wiązkę. Technologa ta umożliwia poruszanie się z prędkością do 10 węzłów przy 100 % pokryciu dna. Natomiast przy prędkościach mniejszych, dwukrotnie zostaje poprawiona rozdzielczość co wpływa na skuteczność wykrywania obiektów i zdolność identyfikacji. Sonar ma możliwość połączenia do komputera za pomocą specjalnego wodoodpornego przewodu, na którym zachowywane będą obrazy sonarowe. W celu sterowania praca sonaru za pomocą komputera, niezbędne jest: oprogramowanie Discover Edgetech ; windows XP Pro; oprogramowanie do przetwarzania danych. Dodatkową cechą sonaru jest możliwość użycia jednocześnie jednej z następujących konfiguracji częstotliwości: 100/400 khz; 300/600 khz; 300/900 khz. Wybór częstotliwości jest uwarunkowany odległością do wykrywanego obiektu. 52

53 Systemy teledetekcji pojazdu podwodnego budowanego na bazie torpedy... Podsumowując, zdecydowano na zamontowanie sonaru bocznego 4200 Multi-Purpose Survey, ponieważ jego możliwości stają naprzeciw wymaganiom stawianym pojazdowi podwodnemu w zakresie wykrywania i identyfikacji obiektów podwodnych. SONDA STD/CTD Dodatkowym zadaniem pojazdu podwodnego jest zbieranie informacji na temat zasolenia, temperatury oraz głębokości. Na podstawie zebranych danych urządzenie jest w stanie określić prędkość rozchodzenia się dźwięku w wodzie. Informacja ta jest pomocna przy wykorzystaniu w pojeździe podwodnym urządzeń wykorzystujących emisję fali akustycznej w swym działaniu np. echosonda. Celem zastosowania sondy na pojeździe podwodnym jest określenie prędkości dźwięku w wodzie na różnych głębokościach, w zależności od aktualnego położenia pojazdu. Przy założeniu, że sonda jest zamocowana na stałe w głowicy, bez możliwości jej opuszczania w stronę dna morskiego. Na podstawie danych technicznych zestawionych, informacji uzyskanych za pośrednictwem internetu oraz podczas konsultacji, wybrana została sonda STD/CTD SD 204 SAIV. Rys Sonda STD/CTD SD 204 SAIV [7] Ze względu na przeznaczenie pojazdu podwodnego sonda stanowi jedynie dodatkowe urządzenie, które zbiera informacje niezbędne do kalibracji sond i echosond przed rozpoczęciem pracy. Z tego względu przy doborze sondy kierowano się głównie masą i wymiarami urządzenia. 53

54 Wojciech Kuryło, Dariusz Szulc Tab Masa i wymiary sond STD/CTD SD 204 SAIV i MIDAS SVX2 masa w powietrzu masa w wodzie średnica długość SD 204 2,3 kg 1,3 kg 60 mm 400 mm MIDAS 11,5 kg 8,5 kg 88 mm 665 mm Rys Rzuty prostokątne z przodu, z boku i z góry. Rzut izometryczny. Ze względu na potrzebę zamontowania sondy w głowicy modernizowanej torpedy, należy minimalizować rozmiary montowanych urządzeń oraz ich masę. Sonda SD 204 w zestawieniu z sondą MIDAS charakteryzuje się znacznie mniejsza masą, jak i wymiarami, co spowodowało wybór tego urządzenia spośród pozostałych. Ważna cechą sondy jest jej autonomiczność. Zapewniona została poprzez wyposażenie urządzenia w dwie litowe baterie i pamięć wewnętrzną. Taka konstrukcja umożliwia wykonywanie dużej ilości pomiarów bez potrzeby przechowywania informacji w pamięci zewnętrznej. Sonda SD 204 może wykonać około 1,5 mln pomiarów na jednych bateriach co daje czas pracy około roku. Sondą można sterować na dwa sposoby: 54

55 Systemy teledetekcji pojazdu podwodnego budowanego na bazie torpedy... ręcznie; automatycznie, za pośrednictwem komputera. Uruchomienie i zakończenie pracy w sposób ręczny odbywa się poprzez przyłożenie klucza magnetycznego kolejno do odpowiednich pól na sondzie. Jeżeli sonda jest podłączona do komputera za pomocą przewodu (zakończonego po stronie komputera złączem RS-232, a po stronie sondy wodoodpornym złączem wyposażonym w gumowy o-ring) można nią sterować poprzez dedykowane oprogramowanie. Dodatkowo w tym czasie sonda korzysta z zewnętrznego źródła zasilania. Po podłączeniu urządzenia do komputera można: odczytać zapisane dane pomiarowe; zmienić ustawienia sondy; kalibrować czujniki; Kolejną istotna funkcją sondy jest możliwość pracy w jednym z trzech trybów: CTD/STD, z/bez pomiaru prędkości dźwięku, z/bez pomiaru z innych (opcjonalnych) czujników. Podsumowując, zdecydowano na zamontowanie sondy SD 204 ponieważ jej możliwości w stosunku do masy i wymiarów są wystarczające do realizacji celów stawianych przed pojazdem podwodnym. ACOUSTIC DOPPLER CURRENT PROFILER Podczas przeszukiwania przestrzeni morskiej przy użyciu sonaru bocznego niezbędna jest dokładna informacja o prędkości poruszania się. Celem zastosowania urządzenia ADCP na pojeździe podwodnym jest określenie jego prędkości poruszania się. Urządzenie umożliwia określenie prędkości pojazdu na podstawie informacji o kierunku i prędkości prądów morskich. Sposób ten daje większą dokładność pomiarów niż określenie prędkości poruszania się pojazdu na podstawie obrotu śrub. Na podstawie danych technicznych, informacji uzyskanych za pośrednictwem internetu oraz podczas konsultacji, wybrany został ADP Acoustic Doppler Profiler. 55

56 Wojciech Kuryło, Dariusz Szulc Rys Mini-ADP Acoustic Doppler Profiler [5] Rys Rzuty prostokątne z przodu, z góry i z boku. Rzut izometryczny. 56

57 Systemy teledetekcji pojazdu podwodnego budowanego na bazie torpedy... Ważną cechą urządzenia jest możliwość wyboru częstotliwości pracy w zależności od potrzeb zasięgu pracy urządzenia: 1500 khz 25,0 m, 3000 khz 6,0 m W wersji standardowej przewidziane jest podłączenie do urządzenia baterii zapewniającej nieprzerwaną pracę do 25 dni (1200 W). Rozwiązanie takie używane jest na dnie akwenów morskich lub podczas pomiarów z jednostek nawodnych. Ze względu na ograniczoną ilość miejsca w głowicy torpedy SET 53, istnieje możliwość zasilania go ze źródła zasilania pojazdu za pośrednictwem kabla. W ten sposób zyskuje się miejsce przy nieznacznym poborze energii rzędu 2,0 2,5 W na godzinę pracy. Sterowanie urządzeniem odbywa się w sposób automatyczny za pośrednictwem komputera z dedykowanym oprogramowaniem, które jest kompatybilne z systemem operacyjnym Windows Vista/XP/2K. Podłączenie do komputera umożliwia obróbkę otrzymanych informacji w czasie rzeczywistym. Kolejną cechą urządzenia jest możliwośd pomiaru temperatury, śledzenie trasy przejścia, zintegrowany system GPS oraz stosunkowo niskie koszty zakupu i eksploatacji. Podsumowując, zdecydowano się na zamontowanie powyższego urządzenia głównie ze względu na dokładność wykonywania pomiarów, niewielkie koszty w stosunku do możliwości jakie prezentuje oraz zdolnością do realizacji zadań jakie będą stawiane przed pojazdem podwodnym AUV. Recenzent: prof. dr hab. inż. Andrzej Felski 57

58 F O R U M N A W I G A C J I Z I M A Katarzyna Kuc, Dariusz Szulc Wpływ zniekształceń w obrazach sonarowych na odzwierciedlenie wybranych cech obiektów podwodnych W artykule opisano przyczyny powstawania zniekształceń i zakłóceń, które mogą występować w obrazach sonarowych oraz ich rodzaje. Pomimo nieustannego rozwoju techniki w dalszym ciągu nie można uniknąć powstawania zniekształceń i zakłóceń, które istotnie wpływają na rzeczywiste odzwierciedlenia dna akwenu i obiektów na nim leżących. WPROWADZENIE W hydrografii morskiej do prowadzenia pomiarów stosowane są różnego rodzaju urządzenia. Jednym z takich urządzeń jest sonar. Sonary znalazły zastosowanie w celach militarnych, gospodarczych oraz naukowych. Służą do przeszukiwania dna i lokalizacji obiektów podwodnych na nim leżących. Do początku lat 50. ubiegłego stulecia naukowcy mogli tylko spekulować o naturze dna mórz, oceanów i głębokich jezior. Proste urządzenia służące do sondowania nie pozwalały na precyzyjne określanie kształtu i rodzaju dna. Pojedyncze pomiary przy wykorzystaniu urządzeń linowych, w dużych odległościach od siebie nie dawały wystarczających informacji do konstruowania wiarygodnych map dna. Początkowo sonary używane były do lokalizacji obiektów o dużych gabarytach jak np. góry lodowe czy okręty podwodne. Do lat 80. ubiegłego stulecia systemy sonarowe były relatywnie proste, opierały się na technice analogowej. Jednak szybki rozwój techniki spowodował możliwość pełniejszego wykorzystanie uzyskanych w trakcie pomiarów hydrograficznych informacji, które do tej pory nie mogły być w pełni wykorzystywane. Obecnie za pomocą tego urządzenia można określić wymiary napotkanej przeszkody: długość, szerokość oraz pośrednio wysokość (na podstawie analizy długości cienia akustycznego). Ponadto sonary pracujące jako część systemu hydrograficznego pozwalają określić pozycję geograficzną przeszkody. Obrazy sonarowe zwane sonogramami są efektem graficznej interpretacji rozproszonej oraz odbitej energii akustycznej przez obiekty o różnych cechach fizycznych znajdujących się na dnie morza. Problemem dla każdego operatora sonaru jest właściwe zinterpretowanie otrzymanych obrazów sonarowych. 58

59 Wpływ zniekształceń w obrazach sonarowych na odzwierciedlenie... SPOSÓB ZOBRAZOWANIA OBIEKTÓW PODWODNYCH Prawidłowa interpretacja obrazów sonarowych wymaga wielu tygodni spędzonych na morzu. Nie oznacza to, że bez dużego doświadczenia nie można korzystać z sonarów, ale istnieje niebezpieczeństwo błędnej interpretacji sonogramów, co bezpośrednio przekłada się na czas pracy i nieproporcjonalnie duży do efektów pracy nakład środków finansowych. Warto wtedy korzystać z wydawnictw omawiających typowe sonogramy oraz pokazujących przykłady obrazów rzadko spotykanych, nietypowych lub trudnych do interpretacji [10]. Wszystkie sonary wytwarzające obrazy sonarowe pokazują obraz dna w postaci negatywu. Oznacza to, że silne echa przedstawione są jako ciemne lub czarne punkty tworzące całe plamy, a echa słabe, takie jak np. cienie, zobrazowane są w postaci jasnoszarych lub wręcz białych punktów. Wynika to z konstrukcji sonarów i faktu, że stopień zaczernienia jest wprost proporcjonalny do siły powracającego echa. Często, dla mało doświadczonego operatora, tak zapisany obraz dna jest trudny do interpretacji, stąd w nowoczesnych sonarach z elektronicznym wyświetleniem danych dotyczących dna przewidziano możliwość zmiany obrazu negatywowego na pozytywowy. Obraz pozytywowy jest bardziej sugestywny, gdyż cienie są ciemne, a powierzchnie mocno odbijające sygnał- jasne. Przypomina to do złudzenia zdjęcie fotograficzne. Z doświadczenia wiadomo jednak, że obraz w postaci negatywowej ma sporo zalet, których nie należy lekceważyć. Ciemny pojedynczy punkt (szary lub czarny) reprezentujący obiekt na dnie łatwiej jest zobaczyć na białym tle niż ten sam punkt (szary lub biały) na ciemnym tle ekranu. Dlatego w czasie prowadzenia poszukiwań małych obiektów leżących na dnie zaleca się używanie tradycyjnej formy poszukiwania,tzn. negatywowej. Wiele sonarów pozwala na zapis i wyświetlenie danych sonarowych w postaci elektronicznej. Znacząco ułatwia to wyszukiwanie określonych fragmentów sonogramu, jego przeglądanie i interpretację, np. poprzez dowolne powiększenie wybranych fragmentów obrazu sonarowego, a następnie wydruk tylko tych obszarów, które są najbardziej interesujące [10]. Rys. 1. Charakterystyka elementów obrazu sonarowego [10] 59

60 Katarzyna Kuc, Dariusz Szulc ZNIEKSZTAŁCENIA OBRAZU SONAROWEGO. Zasada działania sonarów narzuca pewne typowe techniczne rozwiązania stosowane podczas ich konstruowania. Część tych rozwiązań zmierza do uzyskania obrazu o możliwie najlepszych parametrach, pozwalając otrzymać sonogram bogaty w cenne dla nas informacje, możliwie najwierniej opisujący wygląd dna morskiego. Kompresja sonogramu wraz ze wzrostem prędkości holowania Zniekształcenie w kierunku równoległym do kursu generalnego to kompresja lub rozciąganie (wydłużanie) obiektu wzdłuż kierunku ruchu powodowana jest tym, że sonar oświetla obiekt przy różnych prędkościach przemieszczania się. W efekcie tej kompresji zjawiskiem ubocznym jest zobrazowanie tych obiektów jako większe lub mniejsze w stosunku do rozmiarów rzeczywistych. Kompresja ta powodowana jest wyświetlaniem danych dla każdego impulsu w okresach wprost proporcjonalnych do prędkości przemieszczania się sonaru lub pokonanego dystansu [8]. Tabela 1. Zależność wielkości obserwowanego echa od prędkości jednostki pomiarowej [10] Prędkość jednostki trakcie pomiarów Względna zmiana kształtu echa na sonogramie spowodowana zmianą prędkości jednostki pomiarowej Sonogramy wraku wykonane przy różnych prędkościach 1 m/s 60

61 Wpływ zniekształceń w obrazach sonarowych na odzwierciedlenie... 2 m/s 3 m/s Nachylone dno Generuje zniekształcenia w kierunku poprzecznym ze zróżnicowaniem w zależności od kierunku nachylenia dna. Odległości mierzone przez klasyczny sonar boczny są odległościami pomiędzy przetwornikiem sonaru a określonym punktem dna (obiektu podwodnego). Są to zatem tzw. odległości skośne czy nachylone (slant ranges). W systemach sonarowych, które nie posiadają możliwości korekcji odległości skośnych, wysokość sonaru nad dnem powodować będzie zniekształcenia obrazu w kierunku prostopadłym do kierunku ruchu. Zniekształcenia te będą malały wraz ze wzrostem odległości poprzecznej. Na dużych zasięgach odległości skośne są w znacznym stopniu zbliżone do odpowiadających im odległości horyzontalnych i efekt kompresji jest zmniejszony. Kształt obiektów podwodnych leżących w polu bliskim sonaru jest znacznie bardziej zmieniony aniżeli obiektów spoczywających na maksymalnych odległościach poprzecznych [8]. 61

62 Katarzyna Kuc, Dariusz Szulc Rys. 2. Wpływ nachylenia dna morskiego na pomiary sonarowe [8] Sonogramy, w których nie zastosowano korekty odległości skośnej, uniemożliwiają bezpośredni pomiar odległości horyzontalnych do zarejestrowanych obiektów czy określonych punktów dna. W systemach tych wysokość sonaru nad dnem odwzorowana jest jako pierwszy impuls odbiorczy (echo) dochodzący od dna. Bezpośrednio z zapisu sonarowego nie można odczytać rzeczywistej odległości horyzontalnej. Obrazy sonarowe z korekcją odległości skośnych (slant range corrected records) przedstawiają odległości horyzontalne (poziome), tak jak gdyby dno morskie było płaskie, a zdjęcie wykonano z lotu ptaka. Korekta odległości skośnej (Slant-range corretion) to geometryczna poprawka korygująca odbiorczy sygnał sonarowy, która konwertuje wyświetlaną poprzeczną skalę danych w taki sposób, że jest ona wprost proporcjonalna do odległości poprzecznych a nie czasu. Poprawka odległości nachylonych wykorzystuje wysokość sonaru nad dnem do zamiany rzeczywistej, prostoliniowej odległości pomiędzy sonarem a obiektem na odległość horyzontalną (mierzoną po dnie). Zniekształcenia obrazu sonarowego powodowane są również założeniem, że dno w akwenie pomiarowym jest płaskie. Niestety w przypadku występowania stromych zboczy powstają zniekształcenia obrazu szczególnie widoczne w kierunku spadku nachylenia [20]. Zmiany głębokości holowania sonaru bądź zanurzenia głowicy sonaru dookólnego Zmiana głębokości holowania sonaru w trakcie wykonywania pomiarów lub zmiana głębokości zanurzenia głowicy sonaru dookólnego powoduje powstawanie zniekształceń. 62

63 Wpływ zniekształceń w obrazach sonarowych na odzwierciedlenie... Zmiana głębokości holowania sonaru Rys. 3. Zmiana głębokości holowania sonaru [ze zbioru D. Szulca] Sytuacja taka może wystąpić w sytuacji nieprawidłowego obliczenia długości kabla, na którym opuszczany jest sonar. Operator sonaru wypuszczając lub wybierając kabel powoduje ruch głowicy w pionie co powoduje powstawanie zniekształceń kształtu obiektu podwodnego. I tak obiekt, który w rzeczywistości ma prosty kształt, na sonogramie jest pofalowany. Zniekształcenie, które powstało na skutek poruszania się głowicy sonaru do góry i do dołu Rys. 4. Sonogram z zniekształceniem powstałym na skutek poruszania się sonaru do góry i do dołu [ze zbioru D. Szulca] 63

64 Katarzyna Kuc, Dariusz Szulc Ruch głowicy sonaru dookólnego wokół własnej osi Oprócz zniekształceń kształtu obiektu podwodnego powstałych na skutek poruszania się głowicy sonaru w górę i w dół w sonarze dookólnym mogą występować zniekształcenia wymiarów obiektu zarówno wzdłużnych jak i poprzecznych. Powstają one na skutek obracania się głowicy sonaru wokół własnej osi. Obroty te powodują, że badane obiekty podwodne mogą być odzwierciedlano jako dłuższe i szersze niż w rzeczywistości. Ponadto obiekty są rozmazane co zmniejsza czytelność sonogramu i może prowadzić do błędnej interpretacji. Obrót głowicy wokół własnej osi spowodowany jest tym, że w głowicę sonaru wbudowany jest kompas. Wraz ze zmianą pola magnetycznego, zmienia się ułożenie róży kompasowej co powoduje przesunięcie zobrazowania wokół własnej osi. Zniekształcenie spowodowane ruchami głowicy sonaru wokół własnej osi Rys. 5. Sonogram z zniekształceniami spowodowanymi ruchem głowicy sonaru wokół własnej osi [ze zbioru D. Szulca] Zmiana kursu jednostki holującej podczas wykonywania pomiarów Inne zniekształcenia obrazu sonarowego pojawiają się kiedy, w trakcie prowadzenia prac hydrograficznych nie uda nam się pływać po prostych profilach lub kiedy zarejestrujemy obraz dna w trakcie wykonywania zwrotów. W trakcie pomiarów często stosowane jest wyłączanie zapisu sonarowego w czasie zwrotu, jednak doświadczenie wskazuje, że bywa to niewskazane, gdyż sonogramy te 64

65 Wpływ zniekształceń w obrazach sonarowych na odzwierciedlenie... również maja swoją wartość. Chociaż różnice w jakości zapisu dla kanału zewnętrznego i wewnętrznego są znaczne, nie należyich całkowicie lekceważyć. Poszerzają one obszar naszej penetracji dna poza wyznaczony rejon. Co prawda sonogramy uzyskane w trakcie zwrotu, należy traktować z dużo większa nieufnością niż sonogramy wykonane w trakcie przejścia kursem prostym, ale w poszukiwaniu dużych obiektów mogą być bardzo cenne [10]. Różnice w jakości zapisu wynikają stąd, że podczas zwrotu prędkość kątowa, z jaka porusza się sonar, jest znaczna. Powoduje to, że impulsy wysłane przez przetwornik kanału zewnętrznego nie są w stanie pokryć całego dna w pasie przeszukania, gdyż każdy z impulsów wysyłany jest pod nieco innym kątem, a szerokość wiązki jest na tyle mała, że niektóre z fragmentów dna nie są opromieniowane. Z kolei przetwornik kanału wewnętrznego opromieniowuje te same punkty dna wielokrotnie. W tej sytuacji duże obiekty leżące w zewnętrznym pasie przeszukania mogą zostać przedstawione na sonogramie jako małe echa, a małe obiekty leżące w wewnętrznym pasie przeszukania (opromieniowane wielokrotnie) urastają do wielkości ech dużych. Aby to zweryfikować, powinniśmy dokonać dodatkowych przejść na kursach prostych lub dokonać korekty obrazu, używając odpowiedniego oprogramowania [10]. Zmiana kursu prowadzenia jednostki holującej sonar w czasie prowadzenia pomiarów powoduje powstawanie zniekształceń kształtu badanych obiektów podwodnych. Jako przykład można podać prowadzenie pomiarów sonarowych wzdłuż falochronu. Róg falochronu Kierunek prowadzenia pomiarów Rys. 6. Falochron [12] Na wyżej zamieszczonym rysunku został przedstawiony falochron wzdłuż którego przeprowadzano pomiary oraz kierunek ich prowadzenia. Jak widać falochron ma prosty kształt. Nie jest pofalowany ani wypukły w żadnym miejscu. 65

66 Katarzyna Kuc, Dariusz Szulc Róg falochronu Rys. 7. Sonogram falochronu [ze zbioru D. Szulca] Zaprezentowano obraz sonarowy falochronu, którego rzeczywisty obraz widać na rysunku 7. Sonogram przedstawia w jaki sposób został zniekształcony falochron poprzez niewłaściwe prowadzenie jednostki holującej. Częsta zmiana kursów w trakcie prowadzenia badań powoduje, że obrazy sonarowe nie odzwierciedlają rzeczywistych kształtów obiektów podwodnych. I tak w rzeczywistości prosta linia na sonogramie staje się pofalowana lub wypukła. ZAKŁÓCENIA OBRAZÓW SONAROWYCH Nie zawsze echogramy są dobrej jakości. Szumy i zakłócenia mogą pojawić się na zapisie sonarowym w każdym momencie pracy. Decyduje o tym wiele czynników. Najbardziej charakterystyczne to: - odbicie od fal powierzchniowych; - echa wielokrotne; - tłumienie energii przez pęcherze gazy zawartego w wodzie; - odbicia od ławic ryb; - echa listków bocznych; - hałas wytwarzany przez okręt własny lub inne, a także przez zwierzęta morskie; - interferencja podwodna przez inne urządzenia emitujące energię elektromagnetyczne (radio) lub akustyczną (log dopplerowski). 66

67 Wpływ zniekształceń w obrazach sonarowych na odzwierciedlenie... Generalną zasadą jest prowadzenie prac sondażowych podczas dobrej pogody. Często zdarza się jednak, że potrzeba odszukania wraku czy też przeszkody narzuca nam konieczność zbierania danych przy stosunkowo wysokim stanie morza. Wtedy musimy się liczyć z wpływem wzburzonego morza i fal względem obrazów sonarowych. Zamieszczone sonogramy ukazują zaburzenia powodowane przez echa odbite od pofalowanej powierzchni morza i pęcherzyków powietrza generowanych przez załamujące się grzbiety fal. Najprostszym sposobem uniknięcia tego typu zakłóceń jest praca przy niskim stanie morza lub wybór sonaru pracującego na niższych częstotliwościach [10]. Echa wielokrotne dla pojedynczych obiektów zdarzają się rzadko. Jednak w sytuacji, kiedy pracujemy na wodach o umiarkowanych głębokościach, morze jest bardzo spokojne, a jego powierzchnia niczym niezmącona, echa wielokrotne mogą dawać obiekty o dużych wymiarach liniowych. Echa takie powstają w skutek odbić powracającego impulsu od powierzchni wody. Normalna trasa dźwięku to sonar-obiekt-sonar (A-A); to droga najkrótsza. W innej sytuacji fala akustyczna pokonuje wiele innych tras, np. sonar-powierzchnia wody-obiekt-sonar (A-C-B oraz B-C-A) lub sonar -powierzchnia wody-obiekt-powierzchnia wody-sonar (B- C-C-B). Wynikiem tego jest powstawanie ech duchów. Ze schematów wynika, że echa wielokrotne częściej można zaobserwować podczas pracy sonarami holowanymi niż sonarami burtowymi. Dzieje się tak, ponieważ sonar holowany umieszczony jest bliżej dna, co w konsekwencji powoduje, że suma długości ścieżek, po których biegnie dźwięk, jest większa niż dla sonarów bocznych [10]. Rys. 8. Schemat powstawania ech wielokrotnych [10] Występowanie zakłóceń w obrazach sonarowych wywołują ławice ryb. Gęsta ławica, ponad którą przepływa jednostka, daje charakterystyczne mocne echo o dużej rozciągłości. Jeżeli jest ona bardzo gęsta, obserwujemy także cień, jaki rzuca na dno. Jeżeli natomiast nie jest zbyt gęsta, widać ją na echogramie w strefie wody, ale nie obserwujemy jej cienia [10]. 67

68 Katarzyna Kuc, Dariusz Szulc Ławica ryb Rys.9. Ławice ryb mocno pochłaniające sygnały sonarowe, powodujące utratę ech odbitych od dna [11] Echosondy pionowe logi dopplerowskie, których przetworniki wmontowane są w kadłub jednostki, mogą produkować zakłócenia interferencyjne. Zakłócenia te tworzą na sonogramie regularny wzór [10]. Powodem powstawania prążków interferencyjnych jest to, że urządzenia owe podczas pracy emitują ultradźwięki do wody. Pracują na częstotliwościach zbliżonych do częstotliwości pracy sonarów lub będących ich wielokrotnością. Źródło zakłóceń może być łatwo ustalone, a same zakłócenia ustąpią natychmiast po wyłączeniu echosondy lub logu dopplerowskiego. W przeciwieństwie do warunków na lądzie na wodzie nie jesteśmy w stanie zapewnić w miarę stabilnej i długotrwałej platformy pomiarowej względem, której będziemy mogli odnieść swoje pomiary. Istnieją oczywiście pewne rozwiązania techniczne (stabilizatory i mierniki przechyłów, przegłębień i zmian kierunku), jednakże ich prawidłowe funkcjonowanie jest zapewnione w stosunkowo niewielkim zakresie zmian mierzonych parametrów. Ponadto w warunkach morskich mamy do czynienia z dużą dynamika zmian czynników pogodowych i hydrologicznych. Do najważniejszych i jednocześnie powszechnie znanych, mających ogromny wpływ na proces lokalizowania i zobrazowania obiektów podwodnych należy zaliczyć: dryf, znos i falowanie. Każdy z tych elementów ma duże znaczenie dla jakości pozyskiwanych danych w trakcie realizacji pomiarów hydrograficznych. Każdy z nich powoduje powstawanie problemów i niekiedy dużych błędów zarówno w określeniu położenia obiektu podwodnego, jak i próbach jego zobrazowania. Na rysunkach poniżej przedstawiono sonogramy dwóch wraków zatopionych kutrów rybackich znajdujących się w granicach polskich obszarów morskich. Oba uzyskano za pomocą tego samego sonaru holowanego. Pierwszy z nich 68

69 Wpływ zniekształceń w obrazach sonarowych na odzwierciedlenie... został zarejestrowany niemal w idealnych warunkach hydrometeorologicznych (brak wiatru, niski stopień sfalowania powierzchni morza) [1]. Dzięki temu uzyskano niemal fotograficzna jakość obrazu sonarowego, bez zniekształceń i z wyraźnie zarysowanym cieniem hydroakustycznym ułatwiającym wstępną identyfikacje wraku. Takich warunków nie było w trakcie rejestracji obrazu sonarowego drugiego wraku. Wpływ falowania Rys.10. Wpływ falowania na jakość danych uzyskanych w trakcie pomiarów sonarowych [1] Tutaj wyraźnie widoczne jest niekorzystne oddziaływanie falowania uzyskany obraz jest poszarpany, z wyraźnymi przerwami i przesunięciami, tak w obrazie oświetlonego kadłuba jak i cienia hydroakustycznego. Jest to miedzy innymi efekt naprężania i luzowania kabloliny podczas holowania przez nawodna jednostkę hydrograficzna. W akwenach z występującymi prądami morskimi istotnym problemem jest zapewnienie przemieszczania sie holowanego środka pomiarowego po założonej drodze i kierunku. O ile nawodna jednostka holująca jest w stanie utrzymać się na zadanej linii profilu (zaplanowanej drodze podążania) stosując znane w nawigacji czynne uwzględnianie znosu lub też wykorzystując stery strumieniowe albo systemy DP, to w przypadku środka holowanego z pewnością będziemy mieć do czynienia z niezamierzonym jego przemieszczaniem sie w kierunku pokrywającym się z kierunkiem oddziaływania prądu. Wartość liniowa i kątowa owego przemieszczenia w dużej mierze zależy od długości kabloliny łączącej element holowany i jednostkę holująca. Taka sytuacja może powodować zawężenie pasa przeszukania, błędne określenie położenia wykrytego obiektu podwodnego [5]. 69